Химия и химици № 4 2015 г
Има три агрегатни състояния на материята: газообразно, течно и твърдо [1]. В зависимост от външните условия - температура и налягане, веществото може да бъде в едно или няколко агрегатни състояния едновременно. Например, водата може да бъде в течно, газообразно и твърдо състояние: течна вода, лед и пара.
Чистата вода при стайна температура е течна, при нула градуса по Целзий (и налягане от 1 atm.) Водата замръзва: течността се превръща в твърд лед. При сто градуса водата кипи: течността се превръща в пара (газообразна вода). Освен това парата съществува при температури под сто градуса и дори под нула градуса: газообразната вода е в равновесие с течна или твърда вода.
__________________________________________________ 1 Има и четвърто състояние на материята - плазма, но в тази статия няма да разглеждаме плазмата.
По същия начин твърдият натриев хлорид, когато се нагрява над точката на топене (801 ° C), преминава в течно състояние.
Кипенето на вода, топенето на лед, топенето на оловото, преходът на хелий в течно състояние и други агрегатни трансформации на веществата се считат за физични процеси - фазови преходи. Например водната молекула е една и съща в течната вода, във водната пара и в структурата на леда. С други думи, по време на агрегатните трансформации не настъпват химични промени в веществото [2].
__________________________________________________ 2 Всичко е много по-сложно, но тук няма да се ровим във физико-химическата джунгла.
| Добив на сол |
Има обаче друг начин за превръщане на натриевия хлорид в течно състояние - без нагряване на твърдата сол над точката на топене. Можете да добавите натриев хлорид към водата - и тя ще премине в разтвор, т.е. ще бъде течен. Акоизпарете разтвора на натриев хлорид, солта ще се отдели от разтвора в твърдата фаза непроменена: получената сол е химически идентична на солта, взета за приготвяне на разтвора.
Въпреки това, разтварянето на натриев хлорид във вода (и неговата кристализация от разтвор в твърда фаза) не е просто физичен, а физикохимичен процес. Когато натриевият хлорид се разтвори във вода, той се разлага (дисоциира) на натриеви и хлоридни йони, които се хидратират от водните молекули. - Това са химични трансформации. Натриевият хлорид във воден разтвор се различава по химични и физични свойства както от твърдия, така и от стопения натриев хлорид.
И така, твърдата сол се разпада в разтвор на съставни частици - натриеви и хлорни йони, тези частици са равномерно разпределени в обема на разтвора. По същия начин, когато захарта се разтвори, тя се разпада на съставните си молекули, които се разпределят в целия обем на захарния разтвор.
Ако едно вещество е неразтворимо във вода [3], когато попадне във вода, то не се разлага на молекули, а остава в отделна фаза. Например, ако се опитаме да смесим вода и серни частици, като ги разбием в чаша, ще получим суспензия. За известно време частиците сяра ще бъдат разпределени повече или по-малко равномерно в целия обем на течността. Но в този случай серните зърна не са отделни малки молекули, а се състоят от много молекули, те са тежки и скоро ще се утаят на дъното. Суспензията ще се разложи на две фази: течна вода и твърда сяра в утайката. С други думи, това, което взехме в началото, това получихме накрая. Опит за смесване на вода и железен прах, вода и парафинов прах ще доведе до подобен резултат.
И така, има истински разтвори, в които молекулите или йоните на разтвореното вещество са равномерно разпределени в целия обем на разтвора. Пример: разтвор на глюкоза,метиленово синьо, въглероден диоксид или сярна киселина във вода.
Има и суспензии, в които твърдите частици (големи частици, състоящи се от много молекули) са разпределени в цялата течна фаза. Дори ако такова разпределение е равномерно в определен момент от времето, суспензията се разделя с течение на времето: течността се издига, а твърдата фаза се утаява на дъното [4]. (Не ми вярвате? - Опитайте се да разделите вода и пясък).
Защо се получава разделяне на суспензията? Както вече споменахме, частиците в суспензията са големи - състоят се от много молекули (йони, атоми). Следователно частиците са тежки - и поради силата на гравитацията твърдите частици се утаяват на дъното (или, напротив, изплуват, ако твърдото вещество е по-леко от течността).
Но какво се случва, ако приготвите суспензия с много малки твърди частици? Такива частици съдържат много молекули (т.е. не може да става въпрос за истински разтвор: в истинския разтвор веществото се разпада на отделни молекули или йони). От друга страна, нашите частици са толкова малки (микроскопични), че може да не се утаят на дъното: те се държат в суспензия от брауновото движение на водните молекули.
Какво получихме? Веществото се разпределя в целия обем на течността не под формата на отделни молекули (йони), а под формата на микроскопични частици, състоящи се от много молекули. Но поради факта, че тези частици са микроскопични, те не могат да се утаят на дъното за дълго време и да се разпределят повече или по-малко равномерно в обема на течността.
С други думи, това не е истинско решение, нито е спиране. Системата, която описахме, заема междинна позиция и се нарича "колоиден разтвор" (или "колоид", въпреки че последният термин е по-обширен [5].
Например, възможно е да се приготви колоиден разтвор на сяра във вода, който е много по-стабилен отсуспензия на сяра във вода. Въпреки че и тук всичко не е толкова просто: в колоиден разтвор малките частици често могат да се комбинират в по-големи, които се утаяват на дъното. За да не се случи това, колоидният разтвор трябва да бъде стабилизиран, най-лесният начин е да използвате специални добавки, които предотвратяват слепването на колоидните частици.
Така че, ако желаете, можете да приготвите колоиден разтвор на сяра, но ние ще направим нещо по-интересно - ще получим колоиден разтвор на злато.
Простете за баналността, но златото е неразтворимо във вода - всеки знае това. Златото може да се разтвори например в царска вода (смес от концентрирана солна и азотна киселина), в хлоридна вода, в разтвор на йод или в разтвор на калиев цианид (в последния случай е необходим достъп на въздух). Но във всички случаи протича химическа реакция: металното злато преминава в златни съединения.
Суспензията на злато във вода е нестабилна: тежките златни частици бързо се утаяват на дъното (не забравяйте, че говорим за големи частици). Нещо повече, това свойство използваха миньорите, когато измиваха златни зърна от отпадъчни скали в тави: тежките зърна злато се утаяваха и оставаха на дъното на тавата, докато по-леките частици пясък, пръст и други минерали се разбъркваха и изтичаха от тавата заедно с водата.
А как се приготвя колоиден разтвор на злато? Смила злато във вода? Просто няма да работи така: по време на механично смилане частиците ще бъдат твърде големи. Съществува метод за получаване на колоидни разтвори на метали чрез напръскването им в електрически разряд под течен слой. Но в случая със златото е по-лесно да го възстановите от съединения - да накарате металното злато да се образува веднага в разтвора под формата на микроскопични частици с желания размер. Повтарям: също така е важно да не допускаме тезичастици на по-големи - които ще се утаят на дъното. Това се постига по различни начини, например чрез отстраняване на излишния електролит от разтвора и чрез защитни добавки, които предотвратяват агрегацията (залепването) на колоидните частици.
Между другото, приготвянето на колоиден разтвор на злато вече е описано в списанието (нещо повече, лекционна версия на този експеримент) [6].
В зависимост от размера на частиците, цветът на колоидните разтвори на златото може да варира от лилаво до червено. По-долу ще разгледаме приготвянето на лилав златен зол.
__________________________________________________ 3 По-скоро е много слабо разтворим, тъй като абсолютно неразтворими вещества не съществуват.
4 При условие, че течността е по-лека от твърдото - в противен случай твърдата фаза плава.
5 Във връзка с колоидни разтвори се използва и терминът "зол", например сребърен зол, зол на силициева киселина и др. Терминът "зол" често се противопоставя на термина "гел" (не забравяйте: гел от силициева киселина или силикагел?). За разлика от колоидния разтвор (в който частиците на веществото не са свързани помежду си), в структурата на гела колоидните частици се комбинират в триизмерна структура, в резултат на което гелът придобива свойствата на твърдо тяло.
Напоследък стана модерно да се наричат золове и гелове с доста малки частици "наноматериали" - такова преименуване не променя научната същност, но шансът да получите пари за изследвания се увеличава драстично.
| Зависимост на цвета на златните золове от размера на частиците |
Експериментът е проведен въз основа на методологията от книгата Ostwald W. A Brief Practical Guide to Colloidal Chemistry A Practical Guide. - М.: Книжна къща "ЛИБРОКОМ", 2010. - 176 с.
Колоидно злато.Voвсички експерименти, описани по-долу, започват от 1% воден разтвор (HAuCl4 4H2O, Aur. chlorat. flavum) или златен хлорид (AuCl3, Aur. chlorat. fuscum) и първоначално внимателно се довежда до неутрална или леко алкална реакция, според лакмус, чрез добавяне на евентуално чист K2CO3 или Na2CO3. Разтворът на златен хлорид за по-нататъшни експерименти трябва винаги да се поддържа възможно най-концентриран и кисел. В случай на излишък от алкали, разтворът бавно се разлага и става неизползваем; По този начин, ако е желателно да се запази първоначалният разтвор за повече или по-малко дълго време, тогава непосредствено преди експеримента се неутрализира само необходимата за него част, най-добре при 100-кратно разреждане (= 0,01%).
Опит 7. Златни золи, произведени от горивни газове.
Изсипете в порцеланова чаша 100 cm 3 H2O + 10-20 cm 3 0,01% разтвор на златна сол. Нека насочим пламък от водород (I. Donau или по-просто, слабо светеща горелка на Бунзен) към повърхността на разтвора, като разбъркваме разтвора със стъклена пръчка. След 5-10 минути се получава червен до червено-виолетов хидрозол; реакцията продължава дори след отстраняване на горелката, като нюансът се измества към виолетовата част.
И така, нашият експеримент.За да се приготви 1% разтвор на златен хлорид, 8 mg златно фолио се разтварят в царска вода [7]. След това разтворът се изпарява при ниска топлина (около 100°С или по-малко). Получената сиропообразна утайка от хлорно злато (наподобяваща прегоряла захар) се прехвърля с няколко порции дестилирана вода във флакон и се подкислява с няколко капки царска вода. Общият обем на разтвора е около 1,0 ml.
20 ml дестилирана вода се налива в порцеланов съд за изпаряване. Добавени са 4 капки 1% разтвор на златен хлорид(Този разтвор е доста разяждащ, така че не може да се излее с обикновена спринцовка със стоманена игла - ще я корозира.). Разтворът беше неутрализиран чрез добавяне на натриев карбонат (химически чист), контрол с универсална индикаторна хартия (нека ви напомня: излишъкът от киселина ще попречи на нашия експеримент).
За да получим колоидно злато, трябва да редуцираме златния хлорид до метал. За да направите това, пламъкът на бутанова горелка беше насочен към получения разтвор на златна сол. Редуциращият агент е продуктите от непълно изгаряне на бутан. Реакцията протича в повърхностния слой на течността, където пламъкът докосва разтвора. Можете да видите как лилави вълни се отклоняват от него. Междувременно течността малко по малко започва да кипи.
Колоидният разтвор на златото, който получихме, съдържа най-малките частици метално злато. Поради много малкия им размер течността има лилав цвят. По други начини можете да получите червен или син златен зол.
Разтворът, макар и оцветен, е бистър. След известно време тя ще се срути и златото ще изпадне под формата на почти незабележима утайка - в края на краищата има много малко от него в разтвор.
__________________________________________________ 7 На свой ред, за да получат златно фолио, те взеха смлян позлатен месинг, разтвориха го в азотна киселина и измиха златото с вода.