Примеры решения задач

1. Определите, к какому электроду должны перемещаться частицы золя, получаемого при реакции при небольшом избытке H₂S:

2H₃AsO₃+3H₂S=As₂S₃+6H₂O

Решение. Потенциал определяющими ионами в данном случая могут быть ионы SH^-, так как в состав агрегата входят ионы серы. Состав адсорбционного слоя могут входить ионы Н⁺. Ионы Н⁺ образуют диффузный слой. Таким образом, схематическое строение мицеллы золя можно выразить следующей формулой:

{[(As₂S₃)_m·n SH^-]· Н⁺}(n-x) Н⁺

Частица имеет отрицательный заряд, - следовательно, электрофоретическое движение направлено к аноду.
2. Время половинной коагуляции золя иодида серебра при исходном содержании частиц в 1 м³, равном 3,2·10¹⁴, составляет 11,5 с. Определите константу скорости коагуляции.

Решение. Расчет проводим, используя формулу, связывающую константу скорости коагуляции с временем половинной коагуляции:

3. Золь иодида серебра, получаемый по реакции:

KI+AgNO₃→AgI+KNO₃

при некотором избытке KI, коагулируют растворами сульфата калия и ацетата кальция. Коагулирующее действие какого электролита сильнее?

Решение. Строение мицеллы золя таково:

{[(AgI)_m·nI^-]xK⁺}(n-x)K⁺

Ионами, образующими диффузный слой, т.е. противоионами, являются катионы K⁺. Следовательно, при сравнении коагулирующего действия необходимо сравнивать заряды катионов вводимого электролита. Так как заряд иона Са²⁺ выше заряда иона K⁺, то в соответствии с правилом Шульце-Гарди коагулирующее действие Са(СН₃СОО)₂ сильнее.

Задачи
1. Золь AgI получен при добавлении 8 мл водного раствора КI кон­центрацией 0,05 моль/л к 10 мл водного раствора AgNO₃концентрацией 0,02 моль/л. Напишите формулу мицеллы образовавшегося, золя. Как заряжена частица золя?
2. Золь гидроксида железа (III) получен при добавлении к 85 мл кипящей дистиллированной воды 15 мл 2%-ного раствора хлорида железа(III). Напишите формулу мицелл золя Fе(ОН)₃, учитывая, что при образовании частиц гидроксида железа(Ш) в растворе присут­ствуют следующие ионы Fе⁺³, СI^-. Как заряжены частицы золя?
3. Во сколько раз уменьшится суммарное число частиц ν_Σ мартеновских печей через 1, 10, 100 с после начала коагуляции? Сред­ний радиус частиц 20 нм, концентрация 1·10 ^-3 кг/м³, плотность частиц 2,2 г/см³. Константа быстрой коагуляции, по Смолуховскому, равна 3·10 ^-16 м³/с.
4. При исследовании коагуляции полистирольного латекса полу­чены следующие значения порогов коагуляции:

Рассчитайте соотношение порогов коагуляции и сопоставьте его с со­отношением, получаемым в соответствии с правилом Дерягина - Ландау.
5. Порог коагуляции отрицательно заряженного гидрозоля As₂S₃ под действием КСI равен 4,9·10 ^-2 моль/л. С помощью правил Шуль­це - Гарди и Дерягина - Ландау для этого золя рассчитайте пороги коагуляции, вызываемой следующими электролитами: К₂S0₄, MgCI₂, MgSO₄, А1С1₃ и А1₂(S0₄)_3.
6. Порог коагуляции положительно заряженного гидрозоля Fе(ОН)з под действием электролита NaCI равен 9,25 ммоль/л. С по­мощью правил Шульце - Гарди и Дерягина - Ландау для этого золя рассчитайте пороги коагуляции, вызываемой следующими электроли­тами: KNO_3, BaCI₂, K₂S0 ₄, MgS0₄, К ₂Cr₂O_7.
7. Порог коагуляции гидрозоля металлического золота, вызывае­мой NaCI, равен 24 ммоль/л, a K₂S0₄ - 11,5 ммоль/л. Используя пра­вила Шульце - Гарди и Дерягина - Ландау, определите знак заряда золя и рассчитайте порог коагуляции для, следующих электролитов; СаСI₂, MgS0_4, АI₂(S0₄)₃, АIСI₃, Th(NO₃)₄.
8. Напишите схему строения мицелл сульфида цинка, образующихся при получении золя: а) в случае избытка ZnSO₄; б) в случае избытка (NH₄)₂SO₄, по следующей реакции:

ZnSO₄+(NH₄)₂S=ZnS+(NH₄)₂SO_4.
9_. Напишите схему строения мицеллы сульфата бария, получающегося при взаимодействии хлорида бария с некоторым избытком сульфата натрия.
10. Укажите, к какому электроду должны двигаться частицы гидроксида алюминия, образующиеся при гидролизе. Принять, что гидролиз протекает неполно:

AICI₃+H₂O=AI(OH)₃+3HCI.

11. В воде содержатся ультрамикроскопические радиоактивные частицы. Для очистки воды от них предложено вводить электролиты: хлорид алюминия или фосфат калия. Предварительно установлено, что частицы при электрофорезе движутся к катоду. Какой электролит следует предпочесть в данном случае?
12. Золь гидроокиси железа, получаемый неполным гидролизом хлорного железа, коагулируют растворами сульфида натрия, хлорида натрия и хлорида бария. Какой из электролитов окажет наиболее значительное коагулирующее действие?
13. Изучение быстрой коагуляции суспензии каолина, проводимое путем счета частиц с помощью ультрамикроскопа, дало следующие результаты:

Рассчитайте по приведенным данным время половинной коагуляции.
14-27. Написать строение мицеллы золя, полученного по реакции. Определить к какому электроду будет двигаться коллоидная частица:

14. AI(OH)₃, стабилизированный AICI₃.
15. SiO₂, стабилизированный H₂SiO₃.
16. Au, стабилизированный КAuO₂.
17. As₂S₃, стабилизированный H₂S.
18. Ba(OH)₂,стабилизированный BaCI₂.
19. PbS, стабилизированный Pb(NO₃)_2.
20. FeS, стабилизированный Fe₂(SO₄)₃.
21. CrO₃, стабилизированный H₃CrO₆.
22. Ni(OH)_2, стабилизированный Ni(NO₃)_2.
23. Pt, стабилизированный H₃(PtCI)₆.
24. BaCI₂+Na₂ SO₄=BaSO₄+2NaCI; в избытке Na₂SO_4.
25. ZnSO₄+(NH₄)₂S=ZnS+(NH₄)₂SO₄ ; в избытке (NH₄)₂S.
26. Время половинной коагуляции тумана минерального масла с удельной поверхностью 1,5*10⁷ м^-1 , концентрацией 25 мг/л составляет 240 с. Рассчитайте и постройте кривую изменения суммарного числа частиц при коагуляции для следующих интервалов времени: 60, 120, 240, 480 и 600 с. Плотность масла 0,970 г/см³.
27. При изучении оптическим методом кинетики электролитной коагуляции гидрозоля AgJ, стабилизированного ПАВ, получено значение константной скорости быстрой коагуляции, равное 3,2*10^-18м³/с (при 293К). Вязкость среды 1*10^-3Па*с. Сравните эту константу с константой, даваемой теорией Смолуховского. Объясните влияние ПАВ на характер коагуляции.
28. По экспериментальным данным время половинной коагуляции гидрозоля составляет340 с при исходной частичной концентрации частиц 2,52*10¹⁴част/м³, вязкости дисперсионной среды 1*10^-3Па*с, и температуре 293 К. Сделайте вывод, быстрой или медленной является коагуляция, если вязкость среды увеличить в 3 раза.
29. Во сколько раз уменьшится суммарное число частиц дыма мартеновских печей через 1, 10, 100 с после начала коагуляции? Средний радиус частиц 20 нм, концентрация 1*10^-3 кг/м³, плотность частиц 2,2 г/см³. Константа быстрой коагуляции по Смолуховскому равна 3*10^-16м³/с.
30. Рассчитайте константу быстрой коагуляции золя серы среды под действием хлорида алюминия, используя следующие экспериментальные данные:

τ, с 0 2 4 10

*10^-17, част/м³ 16,0 0,99 0,50 0,20
31. Рассчитайте время половинной коагуляции, используя экспериментальные данные по изменению общего числа частиц при коагуляции ……………… дисперсной системы в воде:

τ, с 0 7,0 15,0 20,2 28,0

*10^-15, част/м³ 32,2 24,2 19,9 16,7 14,2
32. Проверьте применимость теории Смолуховского к коагуляции золя селена раствором хлорида калия, используя следующие экспериментальные данные:

τ, с 0 0,66 4,25 19,0 43,0

*10^-14, част/м³ 29,70 20,90 19,10 14,40 10,70
33. Рассчитайте число первичных частиц гидрозоля золота при коагуляции электролитом к моменту времени τ=150с, если первоначальное число частиц в 1м³ составляет 1,93/10¹⁴, а константа скорости быстрой коагуляции равна 0,2*10¹⁷м³/с.
34. Рассчитайте константу скорости быстрой коагуляции суспензии каолина в воде по данным кинетики коагуляции, полученным с помощью ультрамикроскопа (при 293 К)

τ, с 0 100 175 250 400 500

*10^-14, част/м³ 5,0 3,78 3,23 2,86 2,22 1,96
35. При изучении коагуляции суспензии ………… …………. в воде методом счета частиц в ультрамикроскопе получены следующие данные:

τ, с 335 510 600 800

*10^-14, част/м³ 2,52 1,92 1,75 1,49

Высокомолекулярные соединения, полимеры — вещества, обладающие большим молекулярным весом (от нескольких тысяч до нескольких миллионов). К природным высокомолекулярным соединениям(биополимерам) относятся белки (см.), нуклеиновые кислоты (см.), полисахариды (см.) и т. д. К синтетическим — различные пластмассы (см.), синтетические каучуки и волокна. Высокомолекулярные соединения - продукты химического соединения (полимеризации или поликонденсации) большого количества низкомолекулярных соединений (мономеров), играющих роль отдельных звеньев в макромолекуле полимера; при этом мономеры могут быть одинаковыми (например, из этилена - полиэтилен) или различными (например, остатки разных аминокислот в белках). Макромолекулы высокомолекулярных соединений имеют линейное или разветвленное строение; при соединении их поперечными связями возникают трехмерные пространственные полимеры (вулканизованный каучук, пластмассы, дубленый коллаген и т. д.).
Биополимеры выполняют в организме важные функции — управление обменом веществ (белки), передача и хранение генетической информации (нуклеиновые кислоты), защитные и энергетические функции (полисахариды) и т. д. В ряде случаев более сложные и специфические функции выполняют смешанные полимеры, — углеводопептиды (иммуноспецифические вещества), нуклеотидпептиды и др. Биополимеры, как правило, имеют сравнительно простую основу (например, полирибозофосфатную цепь в нуклеиновых кислотах, полипептидную в белках). Функциональная информация зафиксирована в первичной структуре, т. е. зависит от последовательности нуклеиновых оснований (в нуклеиновых кислотах) или аминокислотных остатков (в белках). Первичная структура определяет вторичную и третичную, т. е. расположение частей макромолекулы в пространстве, а это в свою очередь определяет биохимические функции соединений. Чем больше субъединиц входит в состав макромолекулы, тем более тонкие и сложные функции она может выполнять. Молекулы ДНК («планирующий» центр клетки) имеют мол. вес 107—108. Белки, транспортные РНК — «исполнительные органы», имеют молекулярный вес порядка 104 и выполняют более ограниченные функции.
Так как физические свойства вещества являются функцией молекулярного веса и архитектоники молекулы, высокомолекулярные соединения резко отличаются по физико-химическим свойствам от составляющих их субъединиц. Характерная особенность биополимеров — упорядоченное расположение частей макромолекулы. Температурные воздействия, изменения рН и солевой концентрации приводят к разрушению высших структур макромолекул.
Среди синтетических высокомолекулярных соединений, применяющихся в медицине, следует отметить поливинилпирролидон (ПВП), полиметилметакрилат, «гидрофильные пластмассы». Они служат кровезаменителями, используются как материал для костных протезов и т. д. Перспективно применение силиконовых клеев для склеивания кожи. и мышц (вместо сшивания) после операции. «Гидрофильные пластмассы», способные впитывать до 60% (повесу) воды без изменения размеров и прочности, применяются для изготовления контактных линз, для замещения тканей организма и т. д.