Procesy Chemiczne laboratorium część SURFAKTANTY. ćwiczenie 3 Fabrykowanie układów koloidalnych oraz wyznaczanie punktu inwersji emulsji

Transkrypt

1 Procesy Chemiczne laboratorium część SURFAKTANTY ćwiczenie 3 Fabrykowanie układów koloidalnych oraz wyznaczanie punktu inwersji emulsji UKŁADY KOLOIDALNE OTRZYMYWANIE I WŁAŚCIWOŚCI Układy koloidalne można otrzymać metodami dyspersyjnymi lub kondensacyjnymi. Metody dyspersyjne polegają na rozdrobnieniu cząstek makroskopowych (1-100 nm) za pomocą energii mechanicznej (we wszystkich rodzajach młynów i moździerzach), elektrycznej (np. rozpylanie metalu w łuku elektrycznym wytwarzanym w odpowiednim ośrodku dyspersyjnym tzw. metoda Brediga), akustycznej (przy zastosowaniu ultradźwięków) lub świetlnej (np. naświetlanie metali promieniami nadfioletowymi lub rentgenowskimi w odpowiednim ośrodku dyspersyjnym). Do metod dyspersyjnych należy także zwykłe rozpuszczanie w odpowiednim rozpuszczalniku takich substancji, jak białka, mydła, guma arabska czy niektóre kleje. Substancje te przechodzą wówczas w cząstki o rozmiarach koloidalnych. Metody kondensacyjne, będące najczęściej stosowanymi metodami otrzymywania układów koloidalnych, wykorzystują reakcje chemiczne lub zmianę rozpuszczalności fazy rozproszonej. Pierwszy sposób sprowadza się do wywołania odpowiedniej reakcji chemicznej w warunkach, w których powstałe produkty wydzielają się w stanie rozdrobnienia koloidalnego. Najważniejszą z tych reakcji jest redukcja roztworów soli metali szlachetnych, a także reakcje wymiany pomiędzy niektórymi roztworami elektrolitów o odpowiednio dobranych stężeniach, reakcje hydrolizy itp. Prostym sposobem otrzymywania roztworów koloidalnych metodą kondensacji jest zmiana rozpuszczalnika, czyli proces polegający na wprowadzeniu do roztworu jakiejś substancji, w którym występuje ona w rozproszeniu cząsteczkowym, do rozpuszczalnika, w którym ta substancja jest nierozpuszczalna. Układy koloidalne dzieli się na koloidy liofobowe, gdy układu nie można utworzyć przez rozpuszczenie substancji koloidu w rozpuszczalniku (cząstki fazy rozproszonej nie są solwatowane przez fazę rozpraszającą) oraz koloidy liofilowe, o znacznie większym powinowactwie cząstek do rozpuszczalnika.

2 Tabela 1. Właściwości charakterystyczne dla koloidów liofobowych i liofilowych WŁAŚCIWOŚCI KOLOIDY LIOFOBOWE KOLOIDY LIOFILOWE otrzymywanie metodami dyspersji lub kondensacji przez zwykłe rozpuszczenie struktura cząstek budowa jonowa lub stan metaliczny makrocząstki ruchy Browna występują wyraźnie często bardzo niewyraźne efekt Tyndalla wyraźny niewyraźny barwa układu często zabarwione najczęściej bezbarwne ładunek elektryczny cząstki są zawsze naładowane ładunek nieznaczny lub brak ładunku lepkość nieznaczna znaczna tworzenie piany nie tworzą łatwo tworzą pęcznienie nie pęcznieją pęcznieją, zwiększają objętość tworzenie żelu nie tworzą tworzą łatwo wrażliwość na działanie elektrolitu koagulacja pod wpływem małych stężeń elektrolitu koagulacja dopiero pod wpływem dużych stężeń elektrolitu charakter koagulacji nieodwracalna odwracalna Jedną z najbardziej charakterystycznych właściwości roztworów koloidalnych jest występowanie tzw. efektu Tyndalla. Zjawisko to polega na rozproszeniu światła na cząstkach koloidalnych znajdujących się w ośrodku dyspersyjnym. Wówczas, przy obserwacji układu koloidalnego w kierunku prostopadłym do kierunku padającego światła występuje charakterystyczny stożek Tyndalla. źródło światła roztwór koloidalny stożek Tyndalla Natężenie rozproszonego świtała można przedstawić wzorem: I V ki n1 n n n2 2

3 gdzie: I 0 natężenie światła padającego liczba cząstek w jednostce objętości V objętość cząstki - długość fali światła padającego n 1 i n 2 współczynniki załamania światła fazy rozproszonej i rozpraszającej k współczynnik proporcjonalności Intensywność efektu rozpraszania jest tym większa, im większa jest różnica pomiędzy współczynnikami załamania światła fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego. Występowanie zjawiska Tyndalla świadczy o koloidalnej budowie układu i pomaga scharakteryzować ilościowo ten układ. Ilość światła rozproszonego pozwala często wnioskować o strukturze układu. Ilościowe porównanie natężenia światła ugiętego na próbkach przygotowanych w jednakowy sposób może służyć do oznaczenia stężenia różnych substancji. Z zależności pomiędzy intensywnością i stanem polaryzacji światła od kierunku obserwacji oraz od częstotliwości użytego światła wyciąga się wnioski odnośnie natury zdyspergowanych cząstek, ich wielkości i kształtu. W izodyspersyjnych układach cząstek kulistych pomiary tego rodzaju mogą służyć do bezpośredniego oznaczania wielkości cząstek. Liczba cząstek wynika wówczas z natężenia rozproszonego światła. Ma to znaczenie zarówno przy badaniu koloidów, które przedstawiają fazy zdyspergowane, jak również przy badaniu makrocząsteczek. EMULGATORY, PUNKT INWERSJI EMULSJI Emulsje są układami, których własności zależą w dużej mierze od zjawisk powierzchniowych. Mianem emulsji określamy układy koloidalne, w których zarówno ośrodek rozpraszający, jak i substancja rozproszona znajdują się w stanie ciekłym. Podstawowym warunkiem utworzenia emulsji w układzie dwóch cieczy jest zupełny brak lub bardzo mała ich rozpuszczalność wzajemna. Z tego względu są to układy termodynamicznie nietrwałe. Oznacza to, że otrzymana przez mechaniczne rozdrobnienie emulsja rozdzieli się samorzutnie na dwie fazy ciekłe. Proces łączenia się kropelek emulsji w większe krople w wyniku ich zderzeń nosi nazwę koalescencji. Dla zapobieżenia koalescencji dodaje się substancji powierzchniowoczynnych, tzw. emulgatorów, które ulegają bardzo silnej adsorpcji na powierzchni zdyspergowanych kropelek, są ich czynnikiem stabilizującym. Emulgator, będący substancją amfifilową, rozpuszcza się w specyficzny sposób w obu fazach: część hydrofilowa (głowa) cząsteczki emulgatora ma powinowactwo do fazy wodnej a część lipofilowa (ogon) do fazy olejowej. Dzięki temu cząsteczki emulgatora ustawiają się na granicy faz i powodują zmniejszenie napięcia międzyfazowego. Jeżeli napięcie międzyfazowe między

4 składnikami emulsji jest bardzo małe, możliwy jest samorzutny proces emulgowania pod wpływem ruchu cieplnego cząsteczek, w wyniku czego powstają układy koloidalne (emulsje) trwałe termodynamicznie. Emulsję zdyspergowanego oleju w wodzie oznacza się krótko jako emulsję typu o/w i odwrotnie emulsje zdyspergowanej wody w oleju przez w/o. Typ tworzącej się emulsji zależy od zastosowanego emulgatora. Działanie emulgatorów polega w zasadzie na zmniejszeniu międzyfazowego napięcia powierzchniowego pomiędzy kropelkami substancji rozproszonej a cieczy rozpraszanej. Zmniejszenie międzyfazowego napięcia powierzchniowego, sprzyjające utworzeniu emulsji, jest wynikiem powstania cienkiego filmu na powierzchni kropelek. Ponieważ zjawisko zagęszczenia substancji na powierzchni faz zależy od rodzaju grup funkcyjnych, występujących w cząsteczkach chemicznych emulgatora, zatem dany emulgator będzie prowadził do utworzenia emulsji określonego typu. Niskocząsteczkowe emulgatory o przeważających właściwościach hydrofilowych (np. mydła sodowe i potasowe, trietanoloamina) będą prowadziły do powstania emulsji typu o/w. Emulgatory o przeważających właściwościach hydrofobowych (np. stearyniany magnezu, wapnia) będą tworzyły emulsje typu w/o. Dla rozdzielenia emulsji na dwa tworzące je składniki należy usunąć emulgator lub zahamować jego działanie. Można tego dokonać dodając do emulsji typu o/w emulgatora, wywołującego powstanie emulsji typu o/w. Typ emulsji można łatwo zidentyfikować np. przez pomiar przewodnictwa elektrycznego. Mianowicie, przewodnictwo emulsji typu o/w, w którym fazą ciągłą jest woda zawierająca z reguły elektrolity, jest duże. Natomiast przewodnictwo emulsji typu w/o jest znikomo małe. Opisane zjawisko wykorzystuje się przy określaniu punktu inwersji emulsji (emulsion invertion point, EPI). Punkt inwersji emulsji można zdefiniować jako punkt, w którym emulsja złożona z oleju, emulgatorów i wody zmienia się z typu w/o na o/w. EPI wyraża stosunek wody do objętości oleju, przy którym następuje inwersja faz. W punkcie inwersji następuje zmiana typu emulsji oraz emulsja wykazuje wtedy maksymalną stabilność rozdział faz zachodzi wolno. Objętość fazy olejowej, przy której następuje inwersja zależy od stężenia emulgatora, jego charakteru lipofilowego i hydrofilowego oraz od budowy chemicznej. Różna wartość przewodnictwa elektrycznego jest zależna nie tylko od typu emulsji, ale także od jonowego charakteru zastosowanego emulgatora. Wartość przewodnictwa zmienia się od stopnia dyspersji. Im wyższy jest stopień dyspersji emulsji o/w tym wyższa jest wartość przewodnictwa, natomiast dla emulsji w/o im wyższy stopień dyspersji to maleje wartość przewodnictwa. Inne metody określania typu emulsji to: metoda rozcieńczania: kropla emulsji typu o/w położona na powierzchni wody rozpuszcza się w niej, zaś na oleju tworzy odrębną fazę błąd 5% metoda bibułowa: kropla emulsji typu o/w naniesiona na bibułę rozpływa się po niej zaś emulsji typu w/o tworzy kroplę błąd 7%

5 metoda wskaźnikowa: wskaźnik rozpuszczalny w wodzie barwi emulsje typu o/w, zaś nie barwi emulsji w/o. Analogicznie wskaźnik rozpuszczalny w oleju barwi emulsje typu w/o, zaś nie barwi emulsji o/w błąd 25% CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Obserwacja zjawiska Tyndalla w roztworach koloidalnych 1. Otrzymanie zolu Fe(OH) 3 w reakcji hydrolizy Przygotować 2% roztwór chlorku żelaza (III): 0.2 g suchego FeCl 3 dodać do około 10 ml wody destylowanej. Do 100 ml lekko wrzącej wody wlewać kroplami 10 ml świeżo przygotowanego roztworu FeCl 3 (energicznie mieszając roztwór bagietką). W wyniku reakcji hydrolizy powstaje czerwonobrunatny zol Fe(OH) 3. Otrzymany zol pozostawić do dalszych badań. 2. Otrzymywanie zolu kalafonii metodą zmiany rozpuszczalnika 2% roztwór kalafonii w alkoholu etylowym wlewać kroplami do 100 ml wody destylowanej aż do powstania przeźroczystego, opalizującego hydrozolu kalafonii. Otrzymany zol pozostawić do badań. 3. Otrzymanie zolu AgI w reakcji wymiany a) Do kolby stożkowej 100 ml wlać 40 ml 0.1 M AgNO 3 a następnie, intensywnie mieszając na mieszadle magnetycznym, powoli dodawać pipetą 0.1 M roztworu KI, aż do momentu otrzymania zolu (pojawienie się opalizacji). Otrzymany zol pozostawić do dalszych badań. b) Powyższe doświadczenie powtórzyć stosując 0,05 M AgNO 3. c) Do kolby stożkowej 100 ml wlać 20 ml 0.1 M KI a następnie, intensywnie mieszając na mieszadle magnetycznym, powoli dodawać pipetą 0.1 M roztworu AgNO 3 aż do momentu otrzymania zolu (pojawienie się opalizacji). Otrzymany zol pozostawić do dalszych badań. 4. Otrzymywanie zolu skrobi metodą dyspersji 1 g skrobi rozpuszczalnej wsypać do kolby stożkowej i dodać 50 ml wody destylowanej. Całość podgrzewać na koszu grzejnym, stale mieszając, aż do rozpuszczenia się skrobi. Otrzymany zol pozostawić do dalszych badań. 5. Obserwacja efektu Tyndalla Otrzymane roztwory koloidalne umieszczać kolejno w zlewce w aparacie Tyndalla. Narysować wygląd przechodzącej przez układ wiązki światła, zanotować obserwacje. W celu porównania roztworu koloidalnego z rzeczywistym powtórzyć doświadczenie z efektem Tyndalla dla wodnego roztworu NaCl.

6 W sprawozdaniu należy umieścić opis wykonania ćwiczenia i obserwacje dokonane podczas jego przebiegu. Scharakteryzować otrzymane zole. Dla zolu Fe(OH) 3 podać reakcje zachodzące podczas eksperymentu. W punkcie 3 opisać wpływ stężenia oraz kolejności dodawania składników na otrzymanie i właściwości zolu. Wyznaczanie punktu inwersji emulsji Do zlewki o pojemności min. 100 ml naważyć 1 g wybranego emulgatora i 49 g oleju parafinowego. Składniki mieszać przy użyciu homogenizatora przez 15 sekund przy prędkości obrotowej obr/min. Zmierzyć przewodnictwo. Do mieszaniny dodawać porcjami po 1 ml wodę destylowaną, homogenizować i mierzyć przewodnictwo elektryczne uzyskiwanych emulsji. Warunki powinny być identyczne dla wszystkich odczytów (wartości przewodnictwa odczytywać po określonym czasie). Pierwszych kilka mililitrów wody tworzy z olejem emulsję typu w/o, ponieważ stosunek oleju i wody sprzyja takiemu działaniu. Dodawanie wody kontynuować, aż do zaobserwowania skoku przewodnictwa, a następnie przeprowadzić jeszcze kilka pomiarów dla potwierdzenia tego faktu. W momencie inwersji woda staje się fazą zewnętrzną i następuje znaczny wzrost przewodnictwa. Po ostatnim pomiarze pobrać do zlewek po kilka mililitrów emulsji. Do jednej dodać odrobinę barwnika hydrofobowego, do drugiej hydrofilowego. Tak przygotowane próbki nanieść na szkiełko podstawowe i ocenić pod mikroskopem typ uzyskanej emulsji. W sprawozdaniu należy umieścić opis wykonania ćwiczenia i obserwacje dokonane podczas jego przebiegu oraz rysunki z obserwacji emulsji pod mikroskopem. O czym świadczy zaobserwowany skok przewodnictwa elektrycznego? Wyniki pomiarów przewodnictwa zebrać w tabeli oraz w postaci wykresu (zaznaczyć punkt EPI). Obliczyć EPI (przyjmując gęstość oleju parafinowego jako 0.850g/cm 3 ). Określić który ze stosowanych barwników jest hydrofobowy, a który hydrofilowy.