Золь - дисперсная система с твердочастичной дисперсной фазой. Аэрозоль соответствует газообразной дисперсной среде, а лиозоль (гидрозоль) - жидкой дисперсной среде.

Диспергирование жидкостей обычно называют распылением, если оно происходит в газовой фазе, и эмульгированием, когда его проводят в другой жидкости, несмешивающейся с первой.

Дисперги́рование - тонкое измельчение твердых тел или жидкостей, в результате чего получают порошки, суспензии, эмульсии (эмульги́рование , или эмульга́ция ). При диспергировании твердых тел происходит их механическое разрушение.

Методы диспергирования

– механическое диспергирование – осуществляется под действием внешней механической работы. Способы: истирание, раздавливание, раскалывание, распыление, барботаж (пропускание струи воздуха через жидкость), встряхивание, взрыв, действие звуковых и ультразвуковых волн. Таким методом получают муку, сахарную пудру, какао порошок, пряности, молотый кофе и другие. Размер частиц, получаемых этим методом, к.п. довольно большой, не менее 100 нм. Оборудование: ступки, мельницы, дробилки различных типов, жернова.

Для повышения эффективности механическое диспергирование проводят в жидкой среде. Жидкости (растворы ПАВ, электролитов), смачивающие твердое тело, адсорбируются на нем и снижаютпрочность при механической обработке. Это называется адсорбционное понижение прочности твердых тел или эффект Ребиндера (обосновано в 1982 г. П.А. Ребиндером).

– электрическое диспергирование – основан на образовании вольтовой дуги между электродами из распыляемого металла, помещенными в охлаждаемую ДС. Металлы при температуре вольтовой дуги испаряются, а затем в холоднойДС конденсируются. Таким методом получают в основном гидрозоли металлов (дисперсионной средой является вода), например серебра, золота и платины.

– диспергирование ультразвуком – основано на воздействии при помощи ультразвуковых колебаний с частотой выше 20 тыс. в 1 с., не улавливаемых человеческим ухом, эффективно лишь для веществ с небольшой прочностью. К ним относят серу, графит, крахмал, каучук, желатин и др.

К физико-химическому диспергированию относится метод пептизации. Он заключается в переводе свежеприготовленных рыхлых осадков в коллоидный раствор под действием специальных стабилизирующих добавок (пептизаторов – электролиты, растворы ПАВ). Действие пептизатора заключается в том, что частицы осадка отделяются друг от друга и переходят во взвешенное состояние, образуя золь. Таким методом можно получить, например, гидрозоль гидроксида железа (III ). Метод пептизации можно применять только для свежеприготовленных осадков, так как в процессе хранения происходят процессы рекристаллизации и старения, приводящие к сращиванию частиц друг с другом. Размеры частиц получаемых данным методом около 1 нм .

Кандидат химических наук, доцент

Тема 1. Поверхностные явления и адсорбция

Занятие 1. Введение. Классификация и методы получения

дисперсных систем

Л е к ц и я

Саратов – 2010

Введение

1. Введение. Предмет и задачи коллоидной химии .

2. Классификация дисперсных систем.

3. Методы получения дисперсных систем

3. Свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение.

Заключение

ЛИТЕРАТУРА

1. Фролов коллоидной химии. – М.: Химия, 1989. – С. 10-20, 115-127.

2. Гельфман М., Ковалевич О., Юстратов В. Коллоидная химия. – СПб.: «Лань», 2003. – С. 6-15.

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Слайды № 1,2,3,4:

Классификация дисперсных систем

Методы получения дисперсных систем

Удельная поверхность

Коэффициенты поверхностного натяжения

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Поверхностные явления и адсорбция» раннее называлась «Коллоидная химия». Коллоидную химию изучают после прохождения других химических наук (неорганическая, аналитическая, физическая, органическая химия), и это неслучайно.

Имея в качестве объектов исследования в основном реальные вещества и материалы, коллоидная химия завершает общехимическое образование. В то же время она является пограничной областью знаний, которая объединяет физическую химию и физику поверхностных явлений и дисперсных систем и рассматривает многие природные процессы, которым раньше не уделяли внимания. Поэтому коллоидная химия играет важную роль в научно-техническом прогрессе. Практически невозможно назвать отрасль промышленности, в которой не было бы коллоидно-химических процессов (пищевая промышленность , производство искусственного шелка, крашение тканей, кожевенная промышленность, сельское хозяйство , почвоведение, медицина, военная химия и др.).

1. ВВЕДЕНИЕ. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Задача коллоидной химии – изучение гетерогенных систем с сильно развитой поверхностью раздела фаз. Такие системы называют дисперсными .

Одна из фаз дисперсной системы обычно сильно измельчена и называется дисперсной фазой . Дисперсная фаза в дисперсной системе распределена в объеме сплошной фазы, называемой дисперсионной средой . Число дисперсных фаз в дисперсной системе может быть в общем случае неограниченным.

Основоположником коллоидной химии по праву считается английский химик Томас Грэм (г. г.), впервые давший общие представления о дисперсных системах и разработавший некоторые методы их исследования (1861 г.). Изучая диффузию веществ в растворах, Грэм отметил медленное протекание диффузии частиц коллоидных растворов и их неспособность проникать через мембраны в отличие от молекул обычных растворов. Сопоставляя обычные растворы с коллоидными (золями), Грэм пришел к выводу о необходимости разделения веществ на «кристаллоиды» и «коллоиды».

В начале XX века профессор Санкт-Петербургского горного института показал, что не существует «особого вида коллоидов» и что одно и то же вещество в зависимости от условий, растворения может быть как «кристаллоидом», так и «коллоидом». Таким образом, установилось представление о коллоидном состоянии вещества, которое Веймарн считал всеобщим состоянием материи.

Дисперсные системы – наиболее типичные и вместе с тем сложные объекты коллоидной химии, потому что в них проявляется все многообразие поверхностных явлений, формирующих особые объемные свойства этих систем.

Дисперсными системами являются большинство окружающих нас реальных тел, поэтому есть основания называть науку о поверхностных явлениях и дисперсных системах физикой и химией реальных тел. Практически все тела окружающего нас мира являются дисперсными. Это - поликристаллические, волокнистые, слоистые, пористые, сыпучие и другие вещества, состоящие из наполнителя и связующего, а также вещества, находящиеся в состоянии суспензий, паст, эмульсий, пен, пыли и т. д. Почва, тела растительного и животного мира, облака и туманы, многие продукты промышленных производств, строительные материалы , металлы, полимеры, бумага, кожа, ткани, продукты питания – все это дисперсные системы свойства которых изучает коллоидная химия.

Универсальность дисперсного состояния, наличие внешней и внутренней поверхности у большинства реальных тел определяют фундаментальный и общенаучный характер коллоидной химии.

Познакомимся с основными понятиями коллоидной химии.

Коллоидная химия – это наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах, их физических, химических и механических свойствах. Применяется и другое название коллоидной химии – Поверхностные явления и дисперсные системы , которое более точно отражает предмет изучения этой науки.

Таким образом, предметом изучения коллоидной химии являются дисперсные системы и поверхностные явления. Рассмотрим взаимосвязь этих понятий.

К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое сопряженных фаз.

Дисперсная система – это двух - или многофазная, т. е. гетерогенная система, в которой одна из фаз представлена очень маленькими частицами, размеры которых однако заметно превосходят молекулярные. Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсная фаза – это измельченная фаза дисперсной системы. Частицы дисперсной фазы могут иметь сферическую или кубическую форму, а также форму длинных тонких нитей (фибриллярные системы), очень тонких пленок, капилляров.

Дисперсионная среда – сплошная среда, в которой распределена дисперсная фаза.

Мерой раздробленности дисперсной фазы является дисперсность .

Дисперсность Д – величина, обратная размеру частиц. Для сферических частиц – это диаметр d, для кубических – ребро куба l . Следовательно

(1)

Чем мельче раздроблены частицы (т. е. чем выше дисперсность), тем больше суммарная поверхность частиц дисперсной фазы, т. е. больше поверхность раздела фаз. Поэтому важной характеристикой дисперсных систем является удельная поверхность .

Удельная поверхность – межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема или на единицу массы дисперсной фазы

; , (2)

где Sуд. – удельная поверхность, м2;

Vд. ф. – объем дисперсной фазы, м3;

m д. ф. – масса дисперсной фазы, г или кг.

Формулы (2) справедливы и для одной частицы дисперсной фазы. Несложный расчет показывает, что с уменьшением размера частиц удельная поверхность возрастает. Для частицы кубической формы с ребром  , объем V = 3, а площадь поверхности S = 62 (6 сторон куба с площадью 2).

(3)

Из формулы 3 следует, что чем меньше , тем больше Sуд (см. табл. 1).

Чтобы убедиться, в том, что с увеличением степени дисперсности удельная поверхность возрастает, рассмотрим кубик с длиной ребра 1 см (рис. 1). Объем кубика 1 см3, площадь поверхности шести квадратов со стороной 1 см равна 6 см2. Удельная поверхность Sуд = 6 см2 /1 см3 = 6 см2 / см3. Раздробим этот кубик на более мелкие кубики с размером ребра 1 мм и рассчитаем удельную поверхность. Образовалось 10*10*10 = 1000 кубиков. Суммарный объем всех кубиков остался равным 1 см3. Площадь поверхности каждого кубика 6 мм2. Суммарная площадь поверхности тысячи кубиков 1000 * 6 мм2 = 6000 мм2 = 60 см2. Удельную поверхность получим путем деления площади поверхности на объем Sуд = 60 см2 /1 см3 = 60 см2 / см3. Обратите внимание, что сокращать единицы (см) в этом выражении нельзя, поскольку эти единицы относятся к разным фазам – см2 - к площади раздела фаз, а см3 – к объему дисперсной фазы. Сравнивая результаты расчета удельной поверхности нераздробленного кубика и раздробленного, приходим к выводу, что поверхность раздела фаз увеличилась в 10 раз.

Рис.1. Зависимость удельной поверхности от размера частиц

Если процесс дробления продолжить дальше, то, произведя необходимые расчеты, можно убедиться, что с уменьшением размера частиц удельная поверхность возрастает. Данные таблицы 1 подтверждают это. Так для частиц с размером ребра 1 нм удельная поверхность возрастает до 6000 м2/см3.

Таблица 1

Удельная поверхность кубических тел в зависимости

от степени измельчения

Аналогичные расчеты можно привести для частиц другой формы, они дадут подобные результаты. Таким образом, дисперсные системы обладают большой поверхностью раздела фаз. Она может достигать нескольких тысяч м2 на 1 г дисперсной фазы.

Приведенные примеры показывают, что дисперсные системы и поверхностные явления неразрывны: в дисперсных системах с их высокоразвитой поверхностью именно поверхностные явления определяют специфические свойства этих систем и пути управления этими свойствами.

В отличие от других областей химии, интересующихся преимущественно объемными свойствами фаз, у коллоидной химии в центре внимания поверхностные явления.

Общие признаки объектов коллоидной химии заключаются в следующем:

– гетерогенность (частицы дисперсной фазы, несмотря на маленькие размеры, представляют собой самостоятельную фазу);

– большая удельная поверхность (поэтому большое влияние на свойства оказывают поверхностные явления);

– высокая дисперсность (малые размеры частиц влияют на оптические, кинетические и другие свойства систем).

Из всего вышесказанного вытекают задачи коллоидной химии:

– изучение поверхностных явлений и свойств поверхностных слоев;

– изучение условий получения и существования дисперсных систем и факторов, влияющих на их устойчивость;

– изучение молекулярно-кинетических, оптических, электрических, механических и других свойств дисперсных систем.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Классификацию дисперсных систем осуществляют по различным признакам.

Классификация по степени связанности частиц дисперсной фазы

Свободнодисперсные системы – дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы подвижны. В таких системах мелкие частицы дисперсной фазы свободно перемещаются в жидкой или газообразной дисперсионной среде . Это эмульсии, аэрозоли , суспензии и др.

Связнодисперсные системы – дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы или дисперсионной среды связаны между собой и не могут свободно перемещаться. К этому классу относятся дисперсные системы с твердой дисперсионной средой, а именно все капиллярно-пористые тела (почвы, грунты, горные породы, адсорбенты, активные угли), а также гели и студни, в которых сплошная пространственная сетка (матрица), включает очень мелкие ячейки, заполненные жидкостью или газом (желе, застывший клей, мармелад).

Классификация по степени дисперсности

Рассмотрим эту классификацию для свободнодисперсных систем.

1. Грубодисперсные (микрогетерогенные) системы – системы с размерами частиц от 100 донм (10-5 – 10-3 см). Частицы дисперсной фазы содержат более 109 атомов.

К грубодисперсным системам относятся: порошки, суспензии, эмульсии, пены, дымы. Эти системы неустойчивы, расслаиваются при стоянии, их частицы видны в микроскоп, они задерживаются бумажным фильтром.

2. Коллоидно-дисперсные (ультрамикрогетерогенные) системы – системы с размерами частиц от 1 до 100 нм (10-7 – 10-5 см). Дисперсные частицы содержат от 103 до 109 атомов.

Такие системы называют коллоидными (коллоидные растворы) или золями . Различают твердые золи (солидозоли ) с твердой дисперсионной средой, лиозоли с жидкой дисперсионной средой и аэрозоли с газообразной средой.

Частицы коллоидных систем невидимы в обычный микроскоп, проходят через бумажный фильтр, устойчивы длительное время.

3. Молекулярно-дисперсные системы – это истинные растворы, с размером частиц ~10-8 см (менее 103 атомов). Истинные растворы – это гомогенные системы, они не являются предметом изучения коллоидной химии, их свойства резко отличаются от свойств гетерогенных коллоидных растворов.

Для связнодисперсных систем к которым относятся пористые тела, применима другая классификация: микропористые (размеры пор до 2 нм), переходно-пористые (2-200 нм) и макропористые (выше 200 нм.). Другие дисперсные системы с твердой дисперсионной средой удобнее классифицировать по дисперсности так же, как и свободнодисперсные.

Обобщенно приведенную выше классификацию можно представить в виде схемы.

Эта классификация наиболее распространена. В ее основу положено агрегатное состояние частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды. Сочетание трех агрегатных состояний (твердое, жидкое, газообразное) позволяет выделить девять типов дисперсных систем - для краткости их условно обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель – дисперсионной среды. Например, обозначение т/ж показывает, что система состоит из твердой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды (твердое в жидкости). В таблице 2 приведены возможные варианты дисперсных систем и примеры разных видов дисперсных систем.

Классификация по агрегатному состоянию фаз

Смеси газов представляют собой, вообще говоря, гомогенные системы. Однако, в этом случае следует принимать во внимание микронеоднородность этой системы, обусловленную флуктуациями (колебаниями) плотности. Именно наличием флуктуаций плотности и рассеянием на них света объясняется голубой цвет неба: если бы атмосфера была совершенно однородной, то небо было бы черным.

Таблица 2

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Дисперсионная	Дисперсная фаза
	Твердое тело	Жидкость
	Суспензии и золи: промышленные суспензии, взвеси, пасты, илы, лекарственные препараты, природные воды	Эмульсии : природная нефть, мо-локо, кремы, ле-карственные препараты	Пены : флотаци-онные, противопожарные, мыльные
	Твердые гетерогенные систе-мы: минералы, сплавы, бетон, композиционные материалы, пластмассы	Капиллярные системы: гели, жидкость в пористых телах, в адсорбентах, почвы, грунты, ткани живых организмов, жемчуг	Пористые тела: адсорбенты и катализаторы в газах, активные угли, пенобетон, пе - нополиуретан, пемза, пористый шоколад
Газообразная	Аэрозоли: пыли, дымы, порошки, перистые облака, бактерии в воздухе	Аэрозоли: туманы, в том числе промышленные, облака кучевые, атмосфера Земли	смесь газов

3. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Коротко остановимся на методах получения дисперсных систем. Как известно, золи по размеру частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между истинными растворами и суспензиями, поэтому, естественно, они могут быть получены либо путем соединения отдельных молекул или ионов растворенного вещества в агрегаты, либо в результате диспергирования сравнительно больших частиц. В соответствии с этим Сведберг делит методы синтеза коллоидных систем на конденсационные и диспергационные . Особо от этих методов стоит метод пептизации , который заключается в переводе в коллоидный раствор осадков, первичные частицы которых уже имеют коллоидные размеры. Наконец, в некоторых случаях коллоидные системы могут образовываться путем самопроизвольного диспергирования дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Основными двумя условиями получения коллоидных систем, независимо от применяемых методов синтеза, являются: нерастворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде и наличие в системе, в которой образуются частицы, веществ, способных стабилизировать эти частицы. Такими веществами могут быть как чужеродные вещества, специально вводимые в систему, так и соединения, образующиеся при взаимодействии дисперсной фазы с дисперсионной средой.

Диспергационные методы получения дисперсных систем

Диспергированием называют такое измельчение твердых и жидких тел в инертной (не взаимодействующей с измельчаемым веществом) среде, при котором резко повышается дисперсность и образуется дисперсная система, обладающая значительной удельной межфазной поверхностью. В противоположность растворению диспергирование происходит, как правило, не самопроизвольно, а с затратой внешней работы, расходуемой на преодоление межмолекулярных сил при дроблении вещества.

Процесс диспергирования имеет большое практическое значение в ряде производств и технологических процессов: при получении высокодисперсных порошков, пигментов для красок, при измельчении руд полезных ископаемых , при изготовлении муки и других пищевых продуктов и т. д.

Известны различные способы диспергирования.

Для получения грубодисперсных систем служат шаровые мельницы, представляющие собой полые, вращающиеся цилиндры, содержащие некоторое количество стальных или керамических шаров. При вращении цилиндра эти шары перекатываются, дробя и истирая измельчаемый материал. В шаровых мельницах получают порошки, цемент, густотертые краски и т. п.; размер частиц дисперсной фазы в них можно довести лишь до 1000 нм. Для более тонкого измельчения – до 100 нм и меньше – используют коллоидные мельницы, в которых измельчаемый материал (грубая суспензия), проходя через зазор между вращающимся ротором и корпусом мельницы, подвергается дальнейшему измельчению. В коллоидных мельницах получают акварельные краски, пудру, лекарственные препараты и т. п.

Конденсационные методы получения дисперсных систем

Методы конденсации по сравнению с методами диспергирования дают возможность получать коллоидные системы более высокой дисперсности.

Конденсационные методы получения дисперсных систем основаны на создании условий, при которых будущая дисперсионная среда пересыщается веществом будущей дисперсной фазы. В зависимости от способов создания этих условий конденсационный метод подразделяют на физический и химический .

К физическим методам относятся:

а) Конденсация паров при пропускании их через холодную жидкость, в результате чего образуются лиозоли. Так, при пропускании паров кипящей ртути, серы, селена в холодную воду образуются их коллоидные растворы.

б) Замена растворителя . Метод основан на том, что вещество, из которого хотят получить золь, растворяют в подходящем растворителе, затем добавляют вторую жидкость, являющуюся плохим растворителем для вещества, но хорошо смешивающуюся с исходным растворителем. Растворенное первоначально вещество выделяется из раствора в высокодисперсном состоянии. Например, таким путем можно получить гидрозоли серы, фосфора, канифоли, парафина, вливая их спиртовый раствор в воду.

Химическая конденсация отличается от всех рассмотренных выше методов тем, что диспергируемое вещество берут не в готовом виде, а получают непосредственно в растворе химической реакцией, в результате которой образуется нерастворимое в данной среде нужное соединение. Задача сводится к тому, чтобы получить выпадающий осадок в мелкодисперсном состоянии. В методах химической конденсации используются любые реакции, ведущие к образованию новой фазы: реакции двойного обмена, разложения, окисления-восстановления и т. д. Стабилизатором коллоидного раствора служит обычно один из участников реакции или побочный продукт, из которых на границе раздела частица – среда образуются адсорбционные слои ионного или молекулярного типа, препятствующие слипанию частиц и выпадению их в осадок.

4. СВОБОДНАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ И ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

Поверхностные явления имеют особое значение для свойств дисперсных систем, обладающих развитой поверхностью раздела фаз. С поверхностными явлениями связаны такие процессы, как смачивание и растекание жидкостей по поверхности, прилипание, отмывание, поверхностная адсорбция, капиллярные явления, флотация. На этих явлениях основаны различные технологические процессы: крашение и печатание, гетерогенный катализ, применение связующих материалов и клеев, изготовление противогазов, очистка сточных вод . Знание природы поверхностных явлений необходимо военному химику, поскольку именно с этими процессами связано заражение поверхностей боевой техники и их дегазация, специальная обработка обмундирования, работа противогазов.

Всякая поверхность раздела фаз сильно отличается по физико-химическим свойствам от обеих соприкасающихся фаз. Возьмем две соприкасающиеся фазы: газ и жидкость, рассмотрим поведение молекул жидкости внутри объема и на поверхности (рис.1)

Рис.2. Действие межмолекулярных сил в объеме и на поверхности

Между молекулами существует межмолекулярное взаимодействие. Если молекула находится внутри, она испытывает притяжение со стороны всех соседних молекул. Равнодействующая всех этих сил равна 0. Молекула, находящаяся на поверхности, испытывает притяжение только внутренних молекул (газ из-за своей разряженности взаимодействует слабо), равнодействующая этих сил направлена внутрь тела, т. е. явно выражено стремление к втягиванию поверхностных молекул внутрь тела, поверхность тела как бы находится в натянутом состоянии и стремится к своему сокращению. Поскольку действие сил на поверхностные молекулы не скомпенсировано, такие молекулы обладают свободной поверхностной энергией. Дадим определение.

Свободная поверхностная энергия – это избыток энергии молекул поверхностного слоя по сравнению с молекулами, находящимися внутри DE = E* – Eср.

Эта энергия зависит от природы вещества соприкасающихся фаз, от температуры и площади раздела фаз.

где Fs – свободная поверхностная энергия, Дж;

s – площадь раздела фаз, м2;

s – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения (или просто поверхностное натяжение), Дж/м2.

Как известно, любая система стремится к минимуму энергии. Чтобы уменьшить свободную поверхностную энергию (Fs = ss) у системы есть два пути: уменьшить поверхностное натяжение s или площадь поверхности раздела фаз s.

Уменьшение s происходит при адсорбции веществ на твердых и жидких поверхностях (это является движущей силой адсорбции), при растекании одной жидкости по другой.

Стремление к уменьшению площади поверхности S приводит к слиянию частиц дисперсной фазы, к их укрупнению (при этом удельная поверхность сокращается), т. е. этот процесс является причиной термодинамической неустойчивости дисперсных систем.

Стремление жидкости к уменьшению поверхности приводит к тому, что она стремится принять форму шара. Математические расчеты показывают, что наименьшую площадь при постоянном объеме имеет шар, поэтому частицы жидкости принимают шарообразную форму, если только эти капли не расплющиваются под действием силы тяжести. Капли ртути на поверхности приобретают форму шариков. В невесомости все жидкости приобретают форму шара; шарообразную форму планет также приписывают действию поверхностных сил.

Поверхностное натяжение

Физический смысл коэффициента поверхностного натяжения можно истолковать с разных точек зрения.

1.Свободная поверхностная энергия (удельная поверхностная

энергия)

Из выражения (3) следует

https://pandia.ru/text/77/498/images/image009_29.gif" width="57" height="48"> [Дж/м2], (6)

где W – работа по созданию новой поверхности раздела фаз, Дж;

S – площадь поверхности раздела фаз, м2.

Из выражения (5) следует, что s – это работа, которую надо совершить, чтобы в изотермических условиях увеличить на единицу площадь поверхности раздела фаз при неизменном объеме жидкости (т. е. перенести соответствующее число молекул жидкости из объема в поверхностный слой).

Например, при разбрызгивании жидкости совершается работа, которая переходит в свободную поверхностную энергию (при разбрызгивании поверхность раздела фаз многократно увеличивается). Такая же работа затрачивается при дроблении твердых тел.

Так как поверхностное натяжение связано с работой, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей при переводе молекул из объема в поверхностный слой, то очевидно, что поверхностное натяжение является мерилом сил межмолекулярного взаимодействия внутри жидкости. Чем полярнее жидкость, тем сильнее взаимодействие между молекулами, тем сильнее поверхностные молекулы втягиваются внутрь, тем выше значение s.

Из жидкостей наибольшее значение s у воды. Это неслучайно, поскольку между молекулами воды образуются достаточно прочные водородные связи. В неполярных углеводородах между молекулами существуют только слабые дисперсионные взаимодействия, поэтому поверхностное натяжение у них небольшое. Еще больше значение s у жидкой ртути. Это свидетельствует о значительном межатомном взаимодействии (и о большой величине свободной поверхностной энергии).

Высоким значением s характеризуются твердые тела.

3.Поверхностная сила

Есть также силовое толкование поверхностного натяжения. Исходя из размерности коэффициента поверхностного натяжения Дж/м2, можно записать

Таким образом, поверхностное натяжение – это поверхностная сила, приложенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность и направленная на сокращение поверхности раздела фаз .

Существование этой силы наглядно иллюстрируется опытом Дюпре. На жесткой проволочной рамке закреплена подвижная перемычка (рис. 2). В рамке натянута мыльная пленка (положение 1). Чтобы растянуть эту пленку до положения 2, надо приложить силу F, которой противодействует сила поверхностного натяжения F2. Эта сила направлена вдоль поверхности (по касательной), перпендикулярно к контуру, ограничивающему поверхность. Для пленки на рис. 2 роль части контура играет подвижная перемычка.

Рис. 3. Опыт Дюпре

Следовательно,

где F – сила, стягивающая контур поверхности, Н;

 – длина контура, м.

Действие поверхностного натяжения можно наглядно представить в виде совокупности сил, стягивающих края поверхности к центру (поэтому эта сила называется поверхностным натяжением). Эти силы изображены на рис. 3 стрелками – векторами; длина стрелок отражает величину поверхностного натяжения, а расстояние между ними соответствует единице длины контура.

Рис. 4. Действие сил поверхностного натяжения

Таким образом, силы поверхностного натяжения обладают следующими свойствами:

1) равномерно распределены по линии раздела фаз;

Поверхностное натяжение возникает на всех поверхностях раздела фаз в соответствии с агрегатным состоянием этих фаз введены следующие обозначения:

sЖ-Г (на границе жидкость – газ)

sЖ1-Ж2 (на границе двух несмешивающихся жидкостей)

sТ-Г (на границе твердое тело – газ)

sТ-Ж (на границе твердое тело – жидкость)

Непосредственно экспериментально можно определить поверхностное натяжение на границе жидкость – газ и жидкость – жидкость. Методы определения поверхностного натяжения на границе с твердым телом основаны на косвенных измерениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сегодня мы познакомились с основными понятиями коллоидной химии, и перешли к рассмотрению поверхностных явлений, которые имеют большую роль в природе и технике. На следующей лекции мы продолжим знакомство с такими поверхностными явлениями как адгезия и когезия, смачивание и растекание, адсорбция.

Доцент кафедры ФОХ

Дисперсной называют систему, в которой одно вещество распределено в среде другого, причем между частицами и дисперсионной средой есть граница раздела фаз. Дисперсные системы состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсная фаза - это частицы, распределенные в среде. Ее признаки: дисперсность и прерывистость.

Дисперсионная среда - материальная среда, в которой находится дисперсная фаза. Ее признак - непрерывность.

Метод диспергирования. Заключается в механическом дроблении твердых тел до заданной дисперсности; диспергирование ультразвуковыми колебаниями; электрическое диспергирование под действием переменного и постоянного тока. Для получения дисперсных систем методом диспергирования широко используют механические аппараты: дробилки, мельницы, ступки, вальцы, краскотерки, встряхиватели. Жидкости распыляются и разбрызгиваются с помощью форсунок, волчков, вращающихся дисков, центрифуг. Диспергирование газов осуществляют главным образом с помощью барботирования их через жидкость. В пенополимерах, пенобетоне, пеногипсе газы получают с помощью веществ, выделяющих газ при повышенной температуре или в химических реакциях.

Несмотря на широкое применение диспергационных методов, они не могут быть применимы для получения дисперсных систем с размером частиц -100 нм. Такие системы получают кондесационными методами.

В основе конденсационных методов лежит процесс образования дисперсной фазы из веществ, находящихся в молекулярном или ионном состоянии. Необходимое требование при этом методе – создание пересыщенного раствора, из которого должна быть получена коллоидная система. Этого можно достичь при определенных физических или химических условиях.

Физические методы конденсации:

1) охлаждение паров жидкостей или твердых тел при адиабатическом расширении или смешивании их с большим объемом воздуха;

2) постепенное удаление (выпаривание) из раствора растворителя или замена его другим растворителем, в котором диспергируемое вещество хуже растворяется.

Так, к физической конденсации относится конденсация водяного пара на поверхности находящихся в воздухе твердых или жидких частиц, ионов или заряженных молекул (туман, смог).

Замена растворителя приводит к образованию золя в тех случаях, когда к исходному раствору добавляют другую жидкость, которая хорошо смешивается с исходным растворителем, но является плохим растворителем для растворенного вещества.

Химические методы конденсации основаны на выполнении различных реакций, в результате которых из пересыщенного раствора осаждается нерастворенное вещество.

В основе химической конденсации могут лежать не только обменные, но и окислительно-восстановительные реакции, гидролиза и т.п.

Дисперсные системы можно также получить методом пептизации, который заключается в переводе в коллоидный «раствор» осадков, частицы которых уже имеют коллоидные размеры. Различают следующие виды пептизации: пептизацию промыванием осадка; пептизацию поверхностно – активными веществами; химическую пептизацию.

С точки зрения термодинамики, наиболее выгодным является метод диспергирования.

Методы очистки:

1. Диализ – очистка золей от примесей с помощью полупроницаемых мембран, омываемых чистым растворителем.

2. Электродиализ – диализ, ускоренный за счет электрического поля.

3. Ультрафильтрация – очистка путем продавливания дисперсионной среды вместе с низкомалекулярными примесями через полупроницаемую мембрану(ультрафильтр).

Малекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем: броуновское движение, осмотическое давление, диффузия, седиментационное равновесие, седиментационный анализ, оптические свойства дисперсных систем.

Все молеклярно-кинетические свойства обусловлены самопроизвольны движением молекул и проявляются в броуновском движении, диффузии, осмосе, седиментауионном равновесии.

Броуновским называют непрерывное, хоатичное, равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газах, за счет воздействия молекул дисперсионной среды. Теория броуновского движения исходит из представления о взаимодействии случайной силы, которая характеризует удары молекул, силы, зависящей от времени, и силы трения при движении частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде с определенной скоростью.

Кроме поступательного движения возможно и вращательное, характерно для двухмерных частиц неправильной формы (нитей, волокон, хлопьев). Броуновское движение наиболее ярко выражено у высокодисперсных систем, а его интенсивность зависит от дисперсности.

Диффузия – самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область меньшей концентрацией. Различают следующие виды:

1.)молекулярную

3)коллоидные частицы.

Скорость диффузии в газах наибольшая, а в твердых телах – наименьшая.

Осмотическое давление – это такое избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану. ОД возникает при движении чистогорастворителя в сторону раствора или от более разбавленного раствора в сторону более концентрированного, а следовательно связано с раностью концентрацией растворенного вещества и растворителя. Осмотическое давление равно тому давлению, которое производила бы дисперсная фаза (растворенное вещество), если бы оно в виде газа при той же температуре занимала тот же объем, что и коллоидная система (раствор).

Седиментация – это расслоение дисперсных систем под действием силы тяжести с отделением дисперсной фазы в виде осадка. Способность дисперсных систем к седиментации является показателем их седиментационной устойчивости. Процессы расслоения применяют тогда, когда требуется выделить тот или иной компонент из какого-то компонента из какого-то природного или искусственно приготовленного продукта, представляющего собой гетерогенную жидкостную систему. В одних случаях из системы извлекают ценный компонент, в других удаляют нежелательные примеси. В общественном питании процессы расслоения дисперсных систем необходимы, когда требуется получить прозрачные напитки, осветилить бульон, освободить его от частиц мяса.

Поведение луча света, встречающего на пути частицы дисперсной фазы, зависит о соотношения длины волны света и размеров частиц. Если размеры частиц больше длины световой волны, то свет отражается от поверхности частиц под определенным углом. Это явление наблюдается в суспензиях. Если размеры частиц меньше длины световой волны, то свет рассеивается.

Методы получения коллоидных растворов также можно разделить на две группы: методы конденсации и диспергирования (в отдельную группу выделяется метод пептизации , который будет рассмотрен позднее). Еще одним необходимым для получения золей условием, помимо доведения размеров частиц до коллоидных, является наличие в системе стабилизаторов - веществ, препятствующих процессу самопроизвольного укрупнения коллоидных частиц.

Рис. Классификация способов получения дисперсных систем (в скобках указан вид систем)

Дисперсионные методы

Дисперсионные методы основаны на раздроблении твердых тел до частиц коллоидного размера и образовании таким образом коллоидных растворов. Процесс диспергирования осуществляется различными методами: механическим размалыванием вещества в т.н. коллоидных мельницах, электродуговым распылением металлов, дроблением вещества при помощи ультразвука .

Диспергирование может быть самопроизвольное и несамопроизвольное. Самопроизвольное диспергирование характерно для лиофильных систем и связано с ростом беспорядка системы (когда из одного большого куска образуется много мелких частиц). При диспергировании при постоянной температуре рост энтропии должен превышать изменение энтальпии.

ΔН > TΔS; ΔG > 0.

Процесс диспергирования в этом случае является типично несамопроизвольным и осуществляется за счет внешней энергии.

Диспергирование характеризуется степенью диспергирования. Она определяется отношением размеров исходного продукта и частиц дисперсной фазы полученной системы. Степень диспергирования можно выразить следующим образом:

α 1 = d н /d к; α 2 = B н /B к; α 3 = V н /V к,

где d н; d к; B н; B к; V н; V к — соответственно диаметр, площадь пoвepxнocти, объем частиц до и после диспергирования.

Таким образом, степень диспергирования может быть выражена в единицах размера (α 1), площади поверхности (α 2) или объема (α 3) частиц дисперсной фазы, т.е. может быть линейной, поверхностной или объемной.

Работа W, необходимая для диспергирования твердого тела или жидкости, затрачивается на деформирование тела W д и на образование новой поверхности раздела фаз W а, которая измеряется работой адгезии. Деформирование является необходимой предпосылкой разрушения тела. Согласно П.А. Ребиндеру работа диспергирования определяется по формуле

W = W a + W д = σ*ΔB + кV,

где σ* — величина, пропорциональная или равная поверхностному натяжению на границе раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой; ΔB — увеличение поверхности раздела фаз в результате диспергирования; V — объем исходного тела до диспергирования; к — коэффициент, эквивалентный работе деформирования единицы объема тела.

Методы конденсации

К конденсационным методам получения дисперсных систем относятся конденсация, десублимация и кристаллизация . Они основаны на образовании новой фазы в условиях пересыщенного состояния вещества в газовой или жидкой среде. При этом система из гомогенной переходит в гетерогенную. Конденсация и десублимация характерны для газовой, а кристаллизация — для жидкой среды.

Необходимым условием конденсации и кристаллизации является пересыщение и неравномерное распределение вещества в дисперсионной среде (флуктуация концентрации), а также образование центров конденсации или зародышей.

Степень пересыщения β для раствора и пара можно выразить следующим образом:

β ж = с/с s , β П = р/р s ,

где р, с — давление пересыщенного пара и концентрация вещества в пересыщенном растворе; р s — равновесное давление насыщенного пара над плоской поверхностью; с s — равновесная концентрация, соответствующая образованию новой фазы.

Для осуществления кристаллизации охлаждают раствор или газовую смесь.

В основе конденсационных методов получение дисперсных систем лежат процессы кристаллизации, десублимации и конденсации, которые вызваны уменьшением энергии Гиббса (ΔG < 0) и протекают самопроизвольно.

При зарождении и образовании частиц из пересыщенного раствора или газовой среды изменяется химический потенциал µ, возникает поверхность раздела фаз, которая становится носителем избыточной свободной поверхностной энергии.

Работа, затрачиваемая на образование частиц, определяется поверхностным натяжением σ и равна:

W 1 = 4πr 2 σ,

где 4πr 2 — поверхность сферических частиц радиусом r.

Химический потенциал изменяется следующим образом:

Δμ = μ i // - μ i / < 0; μ i // > μ i / ,

где μ i / и μ i // — химические потенциалы гомо и гетерогенных систем (при переходе от мелких капель к крупным).

Изменение химического потенциала характеризует перенос определенного числа молей вещества из одной фазы в другую; это число n молей равно объему частицы 4πr 3 /3, деленному на мольный объем Vм:

Работа образования новой поверхности в процессе конденсации W к равна:

где W 1 и W 2 — соответственно работа, затрачиваемая на образование поверхности частиц, и работа на перенос вещества из гомогенной среды в гетерогенную.

Образование дисперсных систем может происходить в результате физической и химической конденсации, а также при замене растворителя.

Физическая конденсация осуществляется при понижении температуры газовой среды, содержащей пары различных веществ. При выполнении необходимых условий образуются частицы или капли дисперсной фазы. Подобный процесс имеет место не только в объеме газа, но и на охлажденной твердой поверхности, которую помещают в более теплую газовую среду.

Конденсация определяется разностью химических потенциалов (μ i // - μ i /) < 0, которая изменяется в результате замены растворителя. В отличие от обычной физической конденсации при замене растворителя состав и свойства дисперсионной среды не остаются постоянными. Если спиртовые или ацетоновые растворы серы, фосфора, канифоли и некоторых других органических веществ влить в воду, то раствор становится пересыщенным, происходит конденсация и образуются частицы дисперсной фазы. Метод замены растворителя является одним из немногих, при помощи которых можно получить золи.

При химической конденсации происходит образование вещества с одновременным его пересыщением и конденсацией.

9. Определить изменение изобарно-изотермического потенциала реакции N 2(г) + 2Н 2 О (ж) = NH 4 NO 2 (ж) и дать заключение о направлении ее протекания при стандартных условиях, если для Н 2 О (ж) равна – 237,4 кДж/моль, а для NH 4 NO 2(ж) равна – 115,8 кДж/моль.

Изменение изобарно-изотермического потенциала меньше 0, следовательно, процесс может протекать самопроизвольно в сторону прямой реакции.

14. Определить молекулярность и порядок химической реакции на конкретных примерах.

Молекулярность реакции определяется минимальным числом молекул, одновременно участвующих в элементарном акте данной реакции. Молекулярность и порядок реакции численно совпадают только для простейших реакций. Для сложных процессов эти характеристики реакции будут отличаться (порядок реакции меньше ее молекулярности). Следовательно, формальное понятие о порядке реакции в большинстве случаев не отражает ее сложного механизма, т.е. наличия нескольких промежуточных элементарных реакций (стадий). Однако знание экспериментального порядка реакции позволяет судить о ее предполагаемом механизме путем сопоставления расчетных и экспериментально наблюдаемых значений величины n. Когда порядок реакции, найденный экспериментально, не соответствует числу моль реагентов, участвующих в реакции, то это говорит о том, что реакция не является элементарным процессом, а протекает по сложному механизму. Для сложного механизма скорость суммарной реакции определяется скоростью наиболее медленной стадии многоступенчатого процесса. Таким образом, если реакция протекает в одну стадию, то порядок ее равен молекулярности; если реакция протекает в несколько стадий, то порядок каждой из стадий реакции равен молекулярности только этой стадии. Следовательно, экспериментальное определение порядка реакции может служить методом изучения ее механизма.

Если для осуществления элементарного акта необходима всего одна частица (молекула), то такая реакция называется мономолекулярной.

Для элементарного процесса с одновременным участием двух частиц реакция будет называться бимолекулярной и т.д.

Например:

Реакция мономолекулярна, порядок реакции равен 1/3.

С (т) + Н 2 О (г) СО (г) + Н 2 (г)

Реакция бимолекулярна, порядок реакции равен 2/2= 1.

Реакция тримолекулярна, порядок реакции равен 2/3 (из трех молекул реагирующих веществ получают две молекулы продукта реакции).

29. Изменение свободной энергии, сопровождающее химическую реакцию, ее связь с константой равновесия. Расчет теплового эффекта реакции.

Изменение свободной энергии Гиббса, или изменение изобарно-изотермического потенциала - это та максимальная часть энергии системы, которая в данных условиях может превратиться в полезную работу. При реакция протекает самопроизвольно.

В соответствии с законом действующих масс для произвольной реакции

а A + b B = c C + d D (1)

уравнение скорости прямой реакции можно записать:

, (2)

а для скорости обратной реакции

. (3)

По мере протекания реакции (1.33) слева направо концентрации веществ А и В будут уменьшаться и скорость прямой реакции будет падать. С другой стороны, по мере накопления продуктов реакции C и D скорость реакции справа налево будет расти. Наступает момент, когда скорости υ 1 и υ 2 становятся одинаковыми, концентрации всех веществ остаются неизменными, следовательно,

Откуда K c = k 1 / k 2 = .

Постоянная величина К с, равная отношению констант скоростей прямой и обратной реакций, количественно описывает состояние равновесия через равновесные концентрации исходных веществ и продуктов их взаимодействия (в степени их стехиометрических коэффициентов) и называется константой равновесия. Константа равновесия является постоянной только для данной температуры, т.е. К с = f (Т). Константу равновесия химической реакции принято выражать отношением, в числителе которого стоит произведение равновесных молярных концентраций продуктов реакции, а в знаменателе – произведение концентраций исходных веществ.

Если компоненты реакции представляют собой смесь идеальных газов, то константа равновесия (К р) выражается через парциальные давления компонентов:

K p = . (5)

Из уравнения (6) следует, что К р = К с при условии, если реакция идет без изменения числа моль в газовой фазе, т.е. когда (с + d) = (a + b).

Если реакция (1) протекает самопроизвольно при постоянных Р и Т или V и Т, то значения G и этой реакции можно получить из уравнения:

где Р А, Р В, Р С, Р D – парциальные давления исходных веществ и продуктов реакции.

Уравнение (7) называются уравнениями изотермы химической реакции Вант-Гоффа. Это соотношение позволяет рассчитать значения G и F реакции, определить ее направление при различных концентрациях исходных веществ.

Необходимо отметить, что как для газовых систем, так и для растворов, при участии в реакции твердых тел (т.е. для гетерогенных систем) концентрация твердой фазы не входит в выражение для константы равновесия, поскольку эта концентрация практически постоянна. Так, для реакции

2 СО (г) = СО 2 (г) + С (т)

константа равновесия записывается в виде

Зависимость константы равновесия от температуры (для температуры Т 2 относительно температуры Т 1) выражается следующим уравнением Вант-Гоффа:

, (8)

гдеН 0 – тепловой эффект реакции.

34. Осмос, осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа и осмотический коэффициент.

Осмос – самопроизвольное движение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую растворы разной концентрации, из раствора меньшей концентрации в раствор с более высокой концентрацией, что приводит к разбавлению последнего. В качестве полупроницаемой мембраны, через маленькие отверстия которой могут селективно проходить только небольшие по объему молекулы растворителя и задерживаются крупные или сольватированные молекулы или ионы, часто служит целлофановая пленка – для высокомолекулярных веществ, а для низкомолекулярных – пленка из ферроцианида меди. Процесс переноса растворителя (осмос) можно предотвратить, если на раствор с большей концентрацией оказать внешнее гидростатическое давление (в условиях равновесия это будет так называемое осмотическое давление, обозначаемое буквой ). Для расчета значения  в растворах неэлектролитов используется эмпирическое уравнение Вант-Гоффа:

= C · R · T,

где С – моляльная концентрация вещества, моль/кг;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль · К.

Величина осмотического давления пропорциональна числу молекул (в общем случае числу частиц) одного или нескольких веществ, растворенных в данном объеме раствора, и не зависит от их природы и природы растворителя. В растворах сильных или слабых электролитов общее число индивидуальных частиц увеличивается вследствие диссоциации молекул, поэтому в уравнение для расчета осмотического давления необходимо вводить соответствующий коэффициент пропорциональности, называемый изотоническим коэффициентом.

i · C · R · T,

где i – изотонический коэффициент, рассчитываемый как отношение суммы чисел ионов и непродиссоциировавших молекул электролита к начальному числу молекул этого вещества.

Так, если степень диссоциации электролита, т.е. отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества, равна  и молекула электролита распадается при этом на n ионов, то изотонический коэффициент рассчитывается следующим образом:

i = 1 + (n – 1) · ,(i > 1).

Для сильных электролитов можно принять  = 1, тогда i = n, и коэффициент i (также больше 1) носит название осмотического коэффициента.

Явление осмоса имеет большое значение для растительных и животных организмов, поскольку оболочки их клеток по отношению к растворам многих веществ обладают свойствами полупроницаемой мембраны. В чистой воде клетка сильно набухает, в ряде случаев вплоть до разрыва оболочки, а в растворах с высокой концентрацией солей, наоборот, уменьшается в размерах и сморщивается из-за большой потери воды. Поэтому при консервировании пищевых продуктов к ним добавляется большое количество соли или сахара. Клетки микроорганизмов в таких условиях теряют значительное количество воды и гибнут.

Осмотическое давление обеспечивает движение воды в растениях за счет различия осмотических давлений между клеточным соком корней растений (5-20 бар) и почвенным раствором, дополнительно разбавляемом при поливе. Осмотическое давление обусловливает в растении подъем воды от корней до вершины. Таким образом, клетки листьев, теряя воду, осмотически всасывают ее из клеток стебля, а последние берут ее из клеток корня.

49. Рассчитать ЭДС медно-цинкового гальванического элемента, в котором концентрация ионов С u 2 + равна 0,001 моль/л, а ионов Zn 2+ 0,1 моль/л. При расчетах учтите стандартные значения ЭДС:

ε о (Zn 2+ /Zn 0) = – 0,74 В и ε о (Cu 2 + /Cu 0) = + 0,34 В.

Для расчета величины ЭДС используется уравнение Нернста

54. Методы получения дисперсных систем, их классификация и краткая характеристика. Какой метод получения дисперсных систем с термодинамической точки зрения наиболее выгоден?

Метод диспергирования. Заключается в механическом дроблении твердых тел до заданной дисперсности; диспергирование ультразвуковыми колебаниями; электрическое диспергирование под действием переменного и постоянного тока. Для получения дисперсных систем методом диспергирования широко используют механические аппараты: дробилки, мельницы, ступки, вальцы, краскотерки, встряхиватели. Жидкости распыляются и разбрызгиваются с помощью форсунок, волчков, вращающихся дисков, центрифуг. Диспергирование газов осуществляют главным образом с помощью барботирования их через жидкость. В пенополимерах, пенобетоне, пеногипсе газы получают с помощью веществ, выделяющих газ при повышенной температуре или в химических реакциях.

Несмотря на широкое применение диспергационных методов, они не могут быть применимы для получения дисперсных систем с размером частиц -100 нм. Такие системы получают кондесационными методами.

В основе конденсационных методов лежит процесс образования дисперсной фазы из веществ, находящихся в молекулярном или ионном состоянии. Необходимое требование при этом методе – создание пересыщенного раствора, из которого должна быть получена коллоидная система. Этого можно достичь при определенных физических или химических условиях.

Физические методы конденсации:

1) охлаждение паров жидкостей или твердых тел при адиабатическом расширении или смешивании их с большим объемом воздуха;

2) постепенное удаление (выпаривание) из раствора растворителя или замена его другим растворителем, в котором диспергируемое вещество хуже растворяется.

Так, к физической конденсации относится конденсация водяного пара на поверхности находящихся в воздухе твердых или жидких частиц, ионов или заряженных молекул (туман, смог).

Замена растворителя приводит к образованию золя в тех случаях, когда к исходному раствору добавляют другую жидкость, которая хорошо смешивается с исходным растворителем, но является плохим растворителем для растворенного вещества.

Химические методы конденсации основаны на выполнении различных реакций, в результате которых из пересыщенного раствора осаждается нерастворенное вещество.

В основе химической конденсации могут лежать не только обменные, но и окислительно-восстановительные реакции, гидролиза и т.п.

Дисперсные системы можно также получить методом пептизации, который заключается в переводе в коллоидный «раствор» осадков, частицы которых уже имеют коллоидные размеры. Различают следующие виды пептизации: пептизацию промыванием осадка; пептизацию поверхностно – активными веществами; химическую пептизацию.

Например, свежеприготовленный и быстро промытый осадок гидроксида железа переходит в коллоидный раствор красно-бурого цвета от добавления небольшого количества раствора FeCl 3 (адсорбционная пептизация) или HCl (диссолюция).

Механизм образования коллоидных частиц по методу пептизации изучен довольно полно: происходит химическое взаимодействие частиц на поверхности по схеме:

Далее агрегат адсорбирует ионы Fe +3 или FeO + , последующие образуются в результате гидролиза FeCl 3 и ядро мицеллы получает положительный заряд. Формулу мицеллы можно записать в виде:

С точки зрения термодинамики, наиболее выгодным является метод диспергирования.

1) Коэффициент диффузии для сферической частицы рассчитывается по уравнению Эйнштейна:

,

где N А – число Авогадро, 6 10 23 молекул/моль;

h – вязкость дисперсионной среды, Н · с/м 2 (Па · с);

r – радиус частицы, м;

R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль · К;

T – абсолютная температура, К;

число 3,14.

2) Среднее квадратичное смещение:

  ·D·

где   среднее квадратичное смещение (усредненная величина сдвига) дисперсной частицы, м 2 ;

время, за которое происходит смещение частицы (продолжительность диффузии), с;

D  коэффициент диффузии, м 2 . с -1 .

  ·D·=2*12,24*10 -10 *5=12,24*10 -9 м 2

Ответ:    12,24*10 -9 м 2 .

74. Поверхностно-активные вещества. Описать причины и механизм проявления их поверхностной активности.

При малых концентрациях ПАВ образуют истинные растворы, т.е. частицы диспергированы а них до отдельных молекул (или ионов). по мере увеличения концентрации возникают мицеллы. в водных растворах органические части молекул в мицеллах объединяются в жидкое углеводородное ядро, а полярные гидратированные группы находятся в воде, при этом общая площадь контакта гидрофобных частей молекул с водой резко сокращается. Благодаря гидрофильности полярных групп, окружающих мицеллу, поверхностное (межфазное) натяжение на границе ядро-вода понижено до значений, обеспечивающих термодинамическую устойчивость таких агрегатов по сравнению с молекулярным раствором и макрофазой ПАВ.

При малых мицеллярных концентрациях образуются сферические мицеллы (мицеллы Гартли) с жидким аполярным ядром.

Поверхностная активность связана с химическим составом вещества. Она, как правило, увеличивается с уменьшением полярности ПАВ (для водных растворов).

Согласно Ленгмюру, при адсорбции полярная группа, обладающая большим сродством к полярной фазе, втягивается в воду, а углеводородный неполярный радикал выталкивается наружу. происходящее при этом уменьшение энергии Гиббса ограничивает размеры поверхностного слоя толщиной в одну молекулу. при этом образуется так называемый мономолекулярный слой.

В зависимости от строения молекулы ПАВ подразделяются на неионогенные, построенные на основе эфиров, включающих этоксигруппы, и ионогенные – на основе органических кислот и оснований.

Ионогенные ПАВ диссоциируют в растворе с образованием поверхностно-активных ионов, например:

Если при диссоциации образуются поверхностно – активные анионы, ПАВ называют анионоактивными (соли жирных кислот, мыла). Если при диссоциации образуются поверхностно-активные катионы, ПАВ называют катионно-активными (соли первичных, вторичных и третичных аминов).

Существуют ПАВ которые в зависимости от рН раствора могут быть как катионноактивными, так и аниноактивными (белки, аминокислоты).

Особенность молекул ПАВ заключается в том, что они обладают большой поверхностной активностью по отношению к воде, что отражает сильную зависимость поверхностного натяжения водного раствора ПАВ от его концентрации.

При малых концентрациях ПАВ адсорбция пропорциональна концентрации.

Поверхностная активность связана с химическим составом вещества. Она, как правило, увеличивается с уменьшением полярности ПАВ (для водных растворов). Например, для карбоновых кислот величина активности выше, чем для их солей.

При исследовании гомологических рядов была обнаружена четкая зависимость активности от длины углеводородного радикала.

На основании большого количества экспериментального материала в конце 19 века Дюкло и Траубе сформулировали правило: поверхностная активность в ряду гомологов увеличивается в 3-3,5 раза при увеличении углеводородной цепи на одну СН 2 группу.

По мере увеличения концентрации адсорбция на поверхности жидкости сначала резко возрастает, а затем приближается к некоторому пределу, называемому предельной адсорбцией.

На основании этого факта и большого числа исследований, Ленгмюр выдвинул представление об ориентации молекул в поверхностном слое. Согласно Ленгмюру, при адсорбции полярная группа, обладающая большим сродством к полярной фазе – воде, втягивается в воду, а углеводородный неполярный радикал выталкивается наружу. Происходящее при этом уменьшение энергии Гиббса ограничивает размеры поверхностного слоя толщиной в одну молекулу. При этом образуется так называемый мономолекулярный слой.

Мономолекулярные пленки на поверхности воды могут находиться в трех состояниях: газообразном, жидком и твердом. Жидкие и твердые поверхностные пленки называются также конденсированными.

Если силы, действующие между молекулами в пленке, сравнительно невелики, то молекулы ПАВ свободно распределяются по поверхности воды, максимально удаляясь друг от друга, что обусловливает поверхностное давление, действующее в направлении, противоположном поверхностному натяжению, такую пленку можно считать двумерным газом, так как молекулы этого газа не могут оторваться от поверхности воды и могут двигаться только в двух измерениях. К веществам, образующим на воде двумерные газообразные пленки, относятся, например, жирные кислоты с числом углеводородных атомов от 12 до 20-22, алифатические спирты и амины с не очень большой молекулярной массой.

Если тангенциально действующие силы между углеводородными радикалами молекул ПАВ в поверхностной пленке велики, то молекулы слипаются, образуя крупные конденсированные «острова», в которых тепловое движение молекул затруднено. В таких «островах» молекулы обычно ориентируются параллельно друг другу и перпендикулярно поверхности воды. Следует, однако, заметить, что, например, при повышении температуры конденсированные пленки могут переходить в газообразные.

Конденсированные пленки обычно жидкие, и молекулы в них перемещаются довольно свободно. если же силы взаимодействия между радикалами настолько велики, что молекулы не могут перемещаться, то конденсированные пленки можно рассматривать как твердые. Такие пленки образуют карбоновые кислоты с числом углеродных атомов более 20-24.

О наличии у поверхностных пленок свойств твердого тела можно убедиться, напыляя на поверхность порошок. Если пленка твердая, то при осторожном сдувании порошок остается неподвижным, если жидкая -порошок перемещается по поверхности.

Следует отметить, что помимо газообразных и конденсированных пленок существуют еще так называемые растянутые пленки, занимающие промежуточное положение.

Такие пленки могут образовываться из конденсированных при повышении температуры. Полагают, что в растянутых пленках углеводородные радикалы молекул ПАВ не ориентированы параллельно, а переплетены между собой, лежат «плашмя» на воде, что препятствует неограниченному растеканию пленки, в то время как полярные группы относительно свободно перемещаются в поверхностном слое.

Способность веществ образовывать те или иные пленки для ионогенных ПАВ зависит от рН раствора. Высшие жирные кислоты в кислых и нейтральных растворах (т.е. при практически недиссоциированных группах) при определенной температуре дают на поверхности раздела с воздухом растянутые пленки. При той же температуре в щелочной среде на поверхности раствора образуются газообразные пленки, что обусловлено отталкиванием одноименных зарядов соседних групп, появившихся в результате их диссоциации.

89. Написать формулу строения мицеллы золя, образованного в результате взаимодействия указанных веществ(избытка одного, затем другого вещества): CdCl 2 + Na 2 S ; FeCl 3 + NaOH . Назвать составляющие компоненты мицеллы.

1) CdCl 2 + Na 2 S

Избыток CdCl 2 дает мицеллу:

[ (CdCl 2) Cd 2+ · Cl – ] + x Cl –

зародыш: (CdCl 2)

ядро: [ (CdCl 2) Cd 2+

гранула: [ (CdCl 2) Cd 2+ · Cl – ] +

Избыток Na 2 S дает мицеллу:

– x Na +

зародыш: (NaCl)

ядро: (NaCl) 2 Cl -

гранула: [ (CdCl 2) Cd 2+ · Cl – ] +

2) FeCl 3 + NaOH

Избыток FeCl 3 дает мицеллу:

[ (FeCl 3) Fe 3+ · 2Cl – ] + x Cl –

зародыш: (FeCl 3)

ядро: (FeCl 3) Fe 3+

гранула: [ (FeCl 3) Fe 3+ · 2Cl – ] +

Избыток NaOH дает мицеллу:

– x Na +

зародыш: (NaCl)

ядро: 3 (NaCl) 3 Cl –

гранула: –

94. Защита коллоидных частиц с использованием ВМС. Механизм защитного действия. Белки, углеводы, пектины как коллоидная защита.

Коллоидная защита – стабилизация дисперсной системы путем образования адсорбционной защитной оболочки вокруг частиц дисперсной фазы. Белки, пектины и углеводы выступают как стабилизаторы дисперсных систем, предохраняющих системы от дальнейшей коагуляции или седиментации.

110. Пены, условия их образования и свойства. Роль пенообразования для продуктов питания и примеры использования пен.

Пены – высококонцентрированные дисперсные системы (объемная доля газа более 60-80%), в которых дисперсная фаза – газ, а дисперсионная среда – жидкость или твердое тело (пенобетон, пеногипс, пенополимеры и т.д.). Пены – грубодисперсные системы, размер пузырьков в которых от 0,01 см до 0,1 см и более. Чаще всего пены с жидкой дисперсионной средой получают диспергированием газа в жидкости в присутствии стабилизатора, который в этом случае называют пенообразователем.

В качестве продуктов питания, представляющих собой пены можно привести такие пены как взбитые сливки в баллонах, молочные коктейли тоже получают методом взбивания и первоначально его составляющие образуют пену. При помощи пенообразования в пищевой промышленности добиваются извлечением из растворов ценных примесей, что является особенно эффективным в сухих пенах. Но при производстве сахара пена мешает нормальному протеканию процессов и в этом случае производят пеногашение.

ЛИТЕРАТУРА

Ахметов Б. В. Задачи и упражнения по физической и коллоидной химии. – Л.: Химия, 1989.

Гамеева О. С. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1983.

Евстратова К. И., Купина Н. А., Малахова Е. М. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1990.

Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Коллоидная химия. – М.: Химия, 2001.

Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Физическая химия. – М.: Химия, 2000.

Киселев Е. В. Сборник примеров и задач по физической химии. – М.: Высшая школа, 1983.

Кнорре Д. Г. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1990.

Стромберг А. Г. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 2001.

Степин Б. Д. Международные системы единиц физических величин в химии. – М.: Высшая школа, 1990.

Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия, 1995.

Хмельницкий Р. А. Физическая и коллоидная химиия. – М.: Высшая школа, 1988.