Biblioteca Abierta: una biblioteca abierta de información educativa. Métodos de condensación Métodos de condensación para la obtención de sistemas dispersos.
INTRODUCCIÓN
El libro de texto propuesto contiene una descripción de 7 trabajos de laboratorio sobre las secciones principales del curso de química coloidal.
Cada trabajo consta de partes teóricas y prácticas. La primera parte establece los conceptos básicos del apartado correspondiente del curso de química coloidal, que permitirá al estudiante realizar de forma consciente y satisfactoria el trabajo de laboratorio. A esto le sigue la parte práctica, en la que se describe el propósito del trabajo, los reactivos y equipos necesarios, la metodología para su implementación y procesamiento de los resultados experimentales, requisitos de informes y preguntas de autocontrol.
Los principales objetivos del trabajo de laboratorio en química coloidal son inculcar en los estudiantes las habilidades para el trabajo experimental independiente y ayudarlos a dominar el material teórico básico discutido en las conferencias.
TRABAJO DE LABORATORIO N°1
OBTENCIÓN DE SOLES POR MÉTODO DE SUSTITUCIÓN DE SOLVENTES.
ESTUDIO DE LOS FENÓMENOS DE SERIES IRREGULARES.
PARTE TEÓRICA
Tema de química coloidal.
La ciencia de los fenómenos superficiales y los sistemas dispersos se llama química coloidal.
Los fenómenos superficiales incluyen procesos que ocurren en la interfaz, en la capa superficial de la interfase y que surgen como resultado de la interacción de fases conjugadas. Cada cuerpo está limitado por una superficie, por lo que cuerpos de cualquier tamaño pueden ser objetos de química coloidal. Sin embargo, los fenómenos superficiales se manifiestan con mayor fuerza en cuerpos con una superficie muy desarrollada, lo que les confiere nuevas propiedades importantes.
Sistemas dispersos, considerados en química coloidal, constan de al menos dos fases. Uno de ellos es macizo y se llama medio de dispersión. La otra fase está fragmentada y distribuida en la primera, se llama fase dispersa.
Clasificación de sistemas dispersos.
La clasificación más general de los sistemas dispersos se basa en la diferencia en el estado de agregación de la fase dispersa y el medio de dispersión. Tres estados de agregación (sólido, líquido y gaseoso) nos permiten distinguir nueve tipos de sistemas dispersos (Tabla 1.1). Para abreviar, se designan convencionalmente como una fracción, cuyo numerador indica el estado de agregación de la fase dispersa y el denominador, el medio de dispersión. Por ejemplo, la fracción T/L denota sistemas con una fase dispersa sólida y un medio de dispersión líquido (sólido en líquido). Una de las nueve combinaciones G/G no puede formar un sistema coloidal en condiciones normales, ya que los gases en cualquier proporción dan soluciones verdaderas. Sin embargo, los gases también pueden exhibir algunas propiedades de los sistemas coloidales debido a fluctuaciones continuas en la densidad y la concentración, lo que provoca faltas de homogeneidad en el sistema.
De la clasificación presentada se desprende claramente que todos los sistemas dispersos se pueden dividir en dos clases según las propiedades cinéticas de la fase dispersa: libremente disperso sistemas en los que la fase dispersa es móvil, y cohesivamente dispersos Sistemas: sistemas con un medio de dispersión sólido en el que las partículas de la fase dispersa no pueden moverse libremente. Los sistemas libremente dispersos incluyen soles y los sistemas coherentemente dispersos incluyen geles.
Los sistemas dispersos se clasifican según su dispersidad. Para sistemas libremente dispersos y coherentemente dispersos, las clasificaciones basadas en la dispersión tienen diferencias significativas.
Tabla 1.1
Clasificación de sistemas dispersos según el estado de agregación de fases.
| Símbolo del sistema | Nombre del sistema y ejemplos. |
| T/T | Sistemas sólidos heterogéneos: minerales, aleaciones, hormigón, materiales compuestos. |
| PESO/T | Sistemas capilares: líquido en cuerpos porosos, adsorbentes en soluciones, suelos, suelos. |
| H/T | Cuerpos porosos: adsorbentes y catalizadores en gases. |
| V/F | Suspensiones y soles: suspensiones industriales, pulpas, suspensiones, pastas, lodos. |
| F/F | Emulsiones: aceite natural, cremas, leche. |
| Novia/F | Emulsiones y espumas gaseosas: flotación, extinción de incendios, espumas de jabón. |
| T/G | Aerosoles (polvos, humos), polvos |
| F/G | Aerosoles, nieblas, incluidas nieblas industriales, nubes |
| Y/Y | No hay sistemas coloidales. |
Los sistemas libremente dispersos se dividen en ultramicroheterogéneos, cuyo tamaño de partícula se encuentra en el rango de 10–7 a 10–5 cm (de 1 a 100 nm), microheterogéneos con un tamaño de partícula de 10–5 a 10–3 cm (de 0,1 a 10 μm) y grueso con partículas cuyo tamaño supera los 10‑3 cm.
Los sistemas ultramicroheterogéneos a menudo se denominan verdaderamente coloidales o simplemente coloidales, ya que anteriormente solo tales sistemas se consideraban objeto de la química coloidal. Ahora el término "coloidal" ha pasado a utilizarse en un sentido amplio, equivalente al término "heterogéneo-disperso", y el nombre "soles" permanece para los sistemas ultramicroheterogéneos.
Los sistemas cohesivos-dispersos, más precisamente, los cuerpos porosos, se clasifican en microporosos (con tamaños de poro de hasta 2 nm), porosos de transición (de 2 a 200 nm) y macroporosos (por encima de 200 nm). A menudo es más conveniente subdividir los sistemas T/T por dispersión del mismo modo que los sistemas libremente dispersos.
Según la estabilidad termodinámica, los sistemas dispersos se clasifican en liofílicos (termodinámicamente estables) y liófobos (termodinámicamente inestables).
Métodos para la obtención de sistemas dispersos.
Los sistemas dispersos liófobos (termodinámicamente en desequilibrio) se pueden obtener de dos formas: condensación moléculas y aplastante partículas más grandes hasta el grado deseado de dispersión.
La ruta de condensación para la formación de sistemas dispersos está asociada con la liberación de una nueva fase de un sistema homogéneo que se encuentra en un estado metaestable, por ejemplo, cristalización de una solución sobresaturada, condensación de vapor sobresaturado, etc. Este proceso ocurre si el El potencial químico de una sustancia en una fase nueva (estable) es menor que en la antigua (). Sin embargo, este proceso, en última instancia beneficioso, pasa por una etapa que requiere gasto de energía: la etapa de formación de núcleos de una nueva fase. Las condiciones para el surgimiento de núcleos de una nueva fase surgen en un sistema metaestable en lugares donde se forma sobresaturación local: fluctuaciones de densidad (concentración) de magnitud suficiente. El radio del núcleo de equilibrio de una nueva fase está relacionado con el grado de sobresaturación mediante la dependencia conocida (para una gota de líquido formada en un vapor sobresaturado):
=  | (1.1) |
Dónde s Y – tensión superficial y volumen molar de una gota de líquido; pag Y pag - elasticidad del vapor sobresaturado y saturado, respectivamente.
De la ecuación se desprende claramente que la sobresaturación es necesaria para la formación de núcleos de una nueva fase. páginas>1. Cuanto mayor es el grado de sobresaturación, menor es el tamaño de equilibrio del núcleo y más fácil es su formación.
Los tamaños de las partículas resultantes dependen de las condiciones del proceso de condensación, en principio, de la relación entre las velocidades de los procesos que ocurren simultáneamente: la formación de núcleos y su crecimiento. Para obtener partículas pequeñas (es decir, partículas de la fase dispersa en un futuro sistema disperso), es necesario prevalecer significativamente la velocidad del primer proceso sobre la velocidad del segundo. En la práctica, tales condiciones se crean en soluciones muy diluidas de sustancias reactivas o, por el contrario, en soluciones bastante concentradas, cuando durante el proceso de cristalización se forman muchos núcleos a la vez, que no tienen tiempo de crecer a grandes tamaños. En el primer caso se forma un sol (sistema coloidal), en el segundo se obtiene un precipitado cristalino fino que, bajo determinadas condiciones, puede convertirse en una solución coloidal.
Condensación química
Si una reacción química produce un compuesto poco soluble, bajo ciertas condiciones se puede obtener en forma de una solución coloidal. Para ello es necesario, en primer lugar, realizar la reacción diluida en solución para que la tasa de crecimiento de las partículas cristalinas sea baja, luego las partículas son pequeñas (10 –7 ¼10 –9 m) y se asegurará la sedimentación del sistema. estabilidad; en segundo lugar, tome una de las sustancias reaccionantes en exceso para que se pueda formar una doble capa eléctrica en la superficie del cristal, el principal factor de estabilidad agregativa.
Condensación física
El método se basa en la condensación de moléculas de una sustancia, la futura fase dispersa, en otra sustancia, el futuro medio de dispersión. En la práctica, esto se puede hacer de varias maneras, por ejemplo, pasando una sustancia a otra.
Un ejemplo de condensación física es el método de sustitución del disolvente: se añade gradualmente una solución de una sustancia, con agitación, a un líquido en el que dicha sustancia es insoluble. En este caso, se produce la condensación de moléculas y la formación de partículas coloidales.
De esta forma se pueden obtener hidrosoles de azufre, fósforo, colofonia, antraceno y otras sustancias vertiendo sus soluciones alcohólicas en agua. La estructura de la doble capa eléctrica en estos sistemas no es bien conocida.
División
La trituración mecánica se realiza en diversos tipos de molinos (se utilizan molinos dispersos para obtener dispersión coloidal), mediante ultrasonidos, en arco voltaico (para obtener soles metálicos), etc.
Triturar partículas pequeñas requiere mucho trabajo, ya que la interfaz entre fases en tales sistemas debe ser muy grande. Las partículas formadas durante la trituración tienden a pegarse (coagularse) espontáneamente, por lo que la trituración debe realizarse en un medio disperso en presencia de estabilizadores: iones o tensioactivos.
La trituración en presencia de un tensioactivo requiere menos trabajo. Rebinder P.A. descubrió el efecto de una disminución significativa en la resistencia de los sólidos a la destrucción como resultado de la adsorción de tensioactivos. y se denominó reducción de la fuerza de adsorción.
Los métodos para producir sistemas dispersos se dividen en dos grupos fundamentalmente diferentes: dispersión y condensación.
dispersando
La producción de sistemas dispersos mediante el método de dispersión implica la trituración y trituración de sustancias. La dispersión se puede realizar mediante métodos mecánicos, eléctricos, químicos (peptización) y ultrasónicos.
La dispersión mecánica de sustancias ocurre constantemente en la naturaleza: erosión de rocas, formación de glaciares y otros procesos. La dispersión mecánica es de gran importancia en los procesos industriales: procesamiento de minerales, producción metalúrgica durante la formación de escoria, refinación de petróleo, construcción, medicina y productos farmacéuticos. En este caso se utilizan varios tipos y diseños de molinos para asegurar el grado de molienda deseado. Así, los molinos de bolas proporcionan la producción de partículas gruesas (~ 10 4 m); en los molinos coloidales se obtienen partículas más finas, por ejemplo, al triturar azúcar, café, almidón, grafito y reactivos químicos, se utilizan molinos coloidales para obtener un alto grado de dispersión de la sustancia.
La dispersión comienza con la trituración, la siguiente etapa es triturar la sustancia. Trabajo W., gastado en dispersar la sustancia, según la ecuación de Rehbinder, consta de dos términos:
Dónde W ^- trabajo dedicado a la trituración; - trabajo dedicado a moler una sustancia; AK y Como- cambio en el volumen del sistema y la superficie de las partículas dispersas en él; y - coeficientes de proporcionalidad.
Si el volumen de un cuerpo es proporcional a un cubo de tamaño lineal y el área es proporcional a su cuadrado, entonces la ecuación de Rehbinder se puede reescribir como la relación
donde /Г y son coeficientes de proporcionalidad.
Para la primera etapa de dispersión, el primer término es importante. K.a*,
ya que el trabajo empleado en la deformación y trituración está relacionado con el tamaño de los trozos originales de la sustancia (normalmente grandes y de pequeña superficie) y su resistencia mecánica. En la segunda etapa de dispersión, el trabajo es proporcional al tamaño de la superficie resultante. Para tamaños de partículas grandes, se puede despreciar el trabajo de formación de la superficie y, a la inversa, para tamaños pequeños, se puede despreciar el trabajo de deformación volumétrica.
Si en general los coeficientes de proporcionalidad k^ Y A 2 dependen
de la naturaleza de la sustancia, el medio, el método de trituración, luego en el segundo término el coeficiente /C asume la función de la energía de formación de una unidad de superficie, es decir, la tensión superficial: k^ = K^ c5.
Durante la trituración y trituración, la destrucción de los cuerpos se produce en lugares de defectos de resistencia: microfisuras que están presentes en los puntos débiles de la red cristalina, mientras que aumenta la resistencia de las partículas, lo que se utiliza para obtener materiales más duraderos.
Para facilitar la dispersión de los materiales y reducir los costes energéticos se suelen utilizar aditivos especiales llamados reductores de resistencia. Normalmente, la adición de reductores de resistencia en una cantidad del -0,1% en peso de las sustancias trituradas reduce los costes energéticos para obtener sistemas dispersos a aproximadamente la mitad. El efecto de reducir la resistencia de los sólidos en presencia de reductores de resistencia se llama efecto.
Rebindera. Se basa en el hecho de que el desarrollo de microfisuras bajo la influencia de la fuerza ocurre más fácilmente con la adsorción de diversas sustancias del medio ambiente, es decir, el medio ambiente en sí no destruye la superficie de los cuerpos, sino que sólo facilita la destrucción. El efecto de los aditivos, que suelen ser tensioactivos, es principalmente reducir la tensión superficial y reducir el trabajo de rectificado. Además, los aditivos, al humedecer el material, ayudan a que el medio penetre en los defectos del sólido y, mediante fuerzas capilares, facilitan su destrucción. El efecto Rehbinder se utiliza ampliamente en la industria. Por ejemplo, la molienda del mineral siempre se lleva a cabo en un ambiente acuoso en presencia de un tensioactivo; la calidad del procesamiento de piezas en máquinas en presencia de una emulsión tensioactiva aumenta considerablemente, aumenta la vida útil de las herramientas de corte de metales y se reducen los costos de energía para el proceso.
La dispersión se usa ampliamente en la producción de emulsiones: sistemas dispersos en los que un líquido se dispersa en otro líquido, es decir, ambas fases son líquidas (L/L). Una condición necesaria para la formación de emulsiones es la insolubilidad total o parcial de la fase dispersa en el medio de dispersión. Por tanto, las sustancias líquidas que forman la emulsión deben tener diferente polaridad. Normalmente el agua (fase polar) es un componente de las emulsiones. La segunda fase debe ser un líquido apolar o poco soluble, llamado aceite independientemente de su composición (benceno, tolueno, aceites vegetales y minerales).
Las emulsiones se dividen en dos tipos: se denominan emulsiones O/W directas (fase dispersa - aceite, medio de dispersión - agua); inversa (invertir) - Emulsiones W/O (dispersiones de agua en aceite). Los ejemplos de emulsiones de tipo I incluyen emulsiones formadas durante la condensación del vapor de escape de un motor, emulsiones alimentarias (leche, nata); Una emulsión típica de tipo II es petróleo crudo que contiene hasta un 50% de salmuera. El petróleo crudo es una emulsión W/O estabilizada por tensioactivos solubles en aceite (parafinas, asfaltenos). Ejemplos de emulsiones inversas alimentarias incluyen margarinas o mantequilla. El tipo de emulsión viene determinado por la relación volumétrica de las fases: la fase dispersa es el líquido que se encuentra en menor cantidad. El tipo puede determinarse por su capacidad para mezclarse con disolventes polares y no polares o para disolver tintes polares o no polares, así como por su conductividad eléctrica (para un medio de dispersión acuoso, la conductividad eléctrica es varios órdenes de magnitud mayor que para uno no acuoso).
Las emulsiones se utilizan ampliamente en la naturaleza y en diversos procesos tecnológicos. Las emulsiones desempeñan un papel importante en la vida humana; por ejemplo, la sangre es una emulsión en la que los eritrocitos son la fase dispersa.
La uniformidad del estado de agregación de dos fases adyacentes determina las características de estabilidad de las emulsiones. La estabilidad a la sedimentación de las emulsiones es bastante alta y cuanto mayor, menor es la diferencia en las densidades de la fase dispersa y el medio de dispersión. Al proceso de sedimentación en emulsiones se le puede superponer el proceso de floculación (agregación), lo que conduce al agrandamiento de las partículas y, en consecuencia, a un aumento en la velocidad de su sedimentación (o flotación).
La estabilidad agregativa de las emulsiones, como todos los sistemas dispersos, está determinada por su liofilicidad o liofobicidad. La mayoría de las emulsiones son sistemas liófobos. Son termodinámicamente inestables y no pueden formarse espontáneamente debido a la presencia de un exceso de energía libre en la superficie de la interfase. Esta inestabilidad se manifiesta en la fusión espontánea de gotas de líquido entre sí (coalescencia), lo que puede provocar la destrucción completa de la emulsión y su separación en dos capas. La estabilidad agregativa de tales emulsiones sólo es posible en presencia de un estabilizador que evite la fusión de partículas. El estabilizador puede ser un componente del sistema en exceso o una sustancia especialmente introducida en el sistema; en este caso, el estabilizador se llama emulsionante. Como emulsionantes se suelen utilizar tensioactivos o sustancias de alto peso molecular. Los emulsionantes pueden ser hidrófilos o hidrófobos. Los emulsionantes hidrófilos más comunes son las sales de sodio (potasio) de ácidos grasos, que son más solubles en agua que en hidrocarburos. Son capaces de estabilizar emulsiones directas O/W. La orientación de la capa de adsorción del tensioactivo se produce de acuerdo con la regla de Rehbinder: el radical no polar mira hacia el líquido no polar y el grupo polar mira hacia el polar. En las emulsiones directas, las partes polares del emulsionante se encuentran en el exterior de las gotas de aceite y evitan que se acerquen entre sí. Las mismas sustancias en emulsiones inversas son adsorbidas por grupos polares en la superficie interna de las gotas de agua y no interfieren con su fusión (Fig. 1.3).
Arroz. 1.3. La ubicación del emulsionante hidrófilo en líneas rectas. (A) e inversa ( 6 ) emulsiones
Bajo ciertas condiciones, es posible un fenómeno llamado inversión: inversión de las fases de una emulsión (o simplemente inversión de la emulsión), cuando, cuando cambian las condiciones o la introducción de cualquier reactivo, una emulsión de un tipo determinado se convierte en una emulsión de el tipo opuesto.
Hay dos métodos conocidos para producir sistemas dispersos. En uno de ellos se muelen (dispersan) finamente sustancias sólidas y líquidas en un medio de dispersión adecuado, en el otro se provoca la formación de partículas en fase de dispersión a partir de moléculas o iones individuales.
Los métodos para producir sistemas dispersos triturando partículas más grandes se denominan dispersivo. Los métodos basados en la formación de partículas como resultado de la cristalización o condensación se denominan condensación.
23) Propiedades de los coloides.
Tipo I - suspensoides(o coloides irreversibles, coloides liófobos). Soluciones coloidales de metales, sus óxidos, hidróxidos, sales. Las partículas primarias de la fase dispersa no difieren de la estructura de la sustancia correspondiente y tienen una red molecular o iónica. Se trata de sistemas muy dispersos con una superficie de interfase desarrollada. Se diferencian de las suspensiones por su dispersión. Fueron llamados así porque no pueden existir durante mucho tiempo sin un estabilizador.
Tipo II – asociativo (coloides micelares) - semicoloides. Las partículas de este tipo surgen cuando hay una concentración suficiente de moléculas anfifílicas de sustancias de bajo peso molecular en agregados de moléculas: micelas. Las micelas son grupos de moléculas dispuestas regularmente y mantenidas unidas por fuerzas de dispersión. La formación de micelas es típica de soluciones acuosas de detergentes y algunos colorantes orgánicos. En otros medios, estas sustancias se disuelven para formar soluciones moleculares.
Tipo III - coloides moleculares - liofílico (del griego “filio” - amor). Estos incluyen sustancias naturales y sintéticas de alto peso molecular con un peso molecular de diez mil a varios millones. Las moléculas de estas sustancias tienen el tamaño de partículas coloidales, por lo que se denominan macromoléculas.
La característica principal de las partículas coloidales es su pequeño tamaño d: 1 nm< d < 10мкм
1) Diálisis. El dispositivo de diálisis más simple, el dializador, es una bolsa hecha de un material semipermeable (colodión) en la que se coloca el líquido dializado. La bolsa se baja a un recipiente con un disolvente (agua). Cambiando periódicamente o constantemente el disolvente en el dializador, las impurezas de los electrolitos y los no electrolitos de bajo peso molecular se pueden eliminar casi por completo de la solución coloidal.
^2) Electrodiálisis- un proceso de diálisis acelerado por la acción de la corriente eléctrica. La electrodiálisis se utiliza para purificar soluciones coloidales contaminadas con electrolitos. Si es necesario purificar soluciones coloidales de no electrolitos de bajo peso molecular, el proceso de electrodiálisis es ineficaz. El proceso de electrodiálisis difiere poco de la diálisis convencional.
^3) Ultrafiltración- filtrar soluciones coloidales a través de una membrana semipermeable que permite el paso de un medio de dispersión
impurezas de bajo peso molecular y reteniendo partículas o macromoléculas en fase dispersa. Para acelerar el proceso de ultrafiltración, se realiza con diferencia de presión en ambos lados de la membrana: al vacío o
hipertensión.
La ultrafiltración no es más que una diálisis realizada bajo presión.
24) Sistemas dispersos coloidales hidrófobos.
coloides hidrófobos
Sistemas dispersos en los que la sustancia dispersada no interactúa con el medio disperso (agua). Consulte Hidrofilicidad e Hidrofobicidad.
Sistemas dispersos, formaciones de dos o más fases (cuerpos) con una interfaz muy desarrollada entre ellas. En D. s. al menos una de las fases, la fase dispersa, se distribuye en forma de pequeñas partículas (cristales, filamentos, películas o placas, gotas, burbujas) en la otra fase continua, el medio de dispersión. D. s. Según la característica principal, el tamaño de las partículas o (lo que es lo mismo) la dispersidad (determinada por la relación entre el área total de la superficie de la interfase y el volumen de la fase dispersa), se dividen en gruesamente (poco) dispersas y sistemas finamente (altamente) dispersos o coloidales (coloides). En sistemas gruesos, las partículas tienen tamaños que van desde 10 -4 cm y superior, en coloides: de 10 -4 -10 -5 a 10 -7 cm.
25) Electroforesis y electroósmosis.
Electroósmosis
El movimiento dirigido de un líquido en un cuerpo poroso bajo la influencia de una diferencia de potencial aplicada se llama electroósmosis. Considere, por ejemplo, el deslizamiento electroosmótico de un electrolito en un capilar o en los poros de una membrana. Supongamos con certeza que los iones negativos se adsorben en la superficie y se fijan inmóviles, y que los iones positivos forman la parte difusa del EDL. El campo externo E se dirige a lo largo de la superficie. La fuerza electrostática que actúa sobre cualquier elemento arbitrario de la parte difusa del EDL provoca el movimiento de este elemento a lo largo de la superficie. Dado que la densidad de carga en la parte difusa del EDL F(x) cambia dependiendo de la distancia a la superficie x (Fig. 1), las capas descompuestas de electrolito líquido se mueven a diferentes velocidades. Se logrará un estado estacionario (velocidad de flujo constante en el tiempo) cuando la fuerza electrostática que actúa sobre una capa arbitraria de líquido se compense con las fuerzas de resistencia viscosa que surgen debido a la diferencia en la velocidad de movimiento de las capas de líquido ubicadas a diferentes distancias. desde la superficie. Las ecuaciones hidrodinámicas que describen el movimiento de un fluido con una viscosidad constante del fluido y su constante dieléctrica pueden ser resuelto exactamente, el resultado de la solución es la distribución de velocidad del flujo:
Aquí está el valor del potencial eléctrico a una distancia de la superficie, donde la velocidad del flujo del fluido se vuelve cero (el llamado plano deslizante).
Electroforesis
El movimiento dirigido de partículas de la fase dispersa bajo la acción de una diferencia de potencial aplicada se llama electroforesis.
El movimiento electroforético de partículas en un electrolito tiene una naturaleza similar a la electroósmosis: un campo eléctrico externo arrastra iones de la parte móvil del EDL, lo que obliga a las capas de líquido adyacentes a las partículas a moverse con respecto a la superficie de las partículas. Sin embargo, debido al enorme volumen del líquido y a la pequeñez de las partículas suspendidas, estos movimientos se reducen en ausencia de fuerzas externas al movimiento de una partícula en un líquido estacionario. Para partículas no conductoras de superficie plana en sistemas con una parte delgada y difusa del EDL, la velocidad de electroforesis coincide con la velocidad de deslizamiento electroosmótico, tomada con el signo opuesto. Para conducir partículas esféricas, la velocidad de electroforesis puede ser calculado por la ecuación:
¿Dónde está la conductividad eléctrica de la partícula?
26) Estructura de micelas de soles.
Estructura de una micela coloidal.
Los coloides liófobos tienen una energía superficial muy alta y, por tanto, son termodinámicamente inestables; esto hace posible el proceso espontáneo de reducir el grado de dispersión de la fase dispersa (es decir, combinar partículas en agregados más grandes) - coagulación de soles. Sin embargo, los soles tienen la capacidad inherente de mantener el grado de dispersión. estabilidad agregativa, que se debe, en primer lugar, a una disminución de la energía superficial del sistema debido a la presencia de una doble capa eléctrica en la superficie de las partículas de la fase dispersa y, en segundo lugar, a la presencia de obstáculos cinéticos a la coagulación en la forma. de repulsión electrostática de partículas en fase dispersa que tienen la misma carga eléctrica.
AgNO 3 + KI ––> AgI + KNO 3
27) Coagulación de soles hidrofóbicos.
Los sistemas dispersos hidrófobos se caracterizan por una estabilidad agregativa cinética, determinada por la velocidad del proceso de coagulación. La cinética de la coagulación está determinada por la ecuación de Smoluchowski:
¿Dónde está el número total de partículas de fase dispersa por tiempo? τ ;
Número inicial de partículas; - la mitad del tiempo de coagulación; ^K– velocidad de coagulación constante.
28) Compuestos de alto peso molecular. Estructura. Disolución e hinchazón
Soluciones de compuestos de alto peso molecular (HMW)
Los compuestos de alto peso molecular son sustancias que tienen un peso molecular de 10.000 a varios millones de uma.
Las dimensiones de las moléculas de BMC en estado extendido pueden alcanzar los 1000 nm, es decir. comparable a los tamaños de partículas en soluciones coloidales y sistemas microheterogéneos.
El punto de ebullición de los VMC es significativamente mayor que la temperatura de descomposición, por lo que, por regla general, solo existen en estado líquido o sólido.
Las macromoléculas del DIU son formaciones gigantes que constan de cientos y miles de átomos unidos químicamente entre sí.
Todos los DIU se pueden dividir por origen en naturales, formados durante la síntesis bioquímica, y sintéticos, obtenidos artificialmente por polimerización o policondensación.
Dependiendo de la estructura de la cadena polimérica, los DIU se dividen en lineales, ramificados y espaciales.
Al igual que las verdaderas soluciones de sustancias de bajo peso molecular, las soluciones de HMC se forman espontáneamente y son termodinámicamente estables. Ésta es su diferencia con los sistemas coloidales liófobos. La estabilidad termodinámica se debe a una proporción favorable de factores de entalpía y entropía.
Los VMC tienen una serie de propiedades características de los sistemas dispersos: son capaces de formar asociados cuyo tamaño es comparable al tamaño de las partículas de sol (1-100 nm), dispersan la luz, promueven la formación de emulsiones, suspensiones y espumas, se caracterizan por difusión y movimiento browniano. Al mismo tiempo, a diferencia de los soles liófobos, no hay heterogeneidad en las soluciones del DIU, es decir, no hay una gran superficie interfacial.
Una propiedad específica exclusiva de los DIU es la hinchazón al interactuar con un disolvente. La hinchazón puede ser limitada o ilimitada. Esto último conduce a la disolución del polímero.
Existe una gran cantidad de DIU que se disocian en solución para formar iones de alto peso molecular; se denominan poliadectrolitos. Dependiendo de la naturaleza de los grupos poliméricos, los polielectrolitos pueden ser catiónicos, aniónicos y anfóteros. Estos últimos contienen grupos tanto ácidos como básicos. Dependiendo del pH del ambiente, se disocian en ácidos o bases. El estado en el que se compensan las cargas positivas y negativas de una molécula de proteína se llama isoeléctrico, y el valor de pH en el que la molécula pasa a un estado isoeléctrico se llama punto isoeléctrico de la proteína (IPP).
Dos métodos para producir sistemas dispersos: dispersión y condensación.
La dispersión y la condensación son métodos para producir sistemas libremente dispersos: polvos, suspensiones, soles, emulsiones, etc. Bajo dispersión entender la trituración y trituración de una sustancia; la condensación es la formación de un sistema disperso heterogéneo a partir de uno homogéneo como resultado de la asociación de moléculas, átomos o iones en agregados.
En la producción mundial de diversas sustancias y materiales, los procesos de dispersión y condensación ocupan uno de los lugares principales. Se obtienen miles de millones de toneladas de materias primas y productos en estado libremente disperso. Esto asegura la facilidad de transporte y dosificación, y también permite obtener materiales homogéneos a la hora de preparar mezclas.
Los ejemplos incluyen la trituración y molienda de minerales, carbón y producción de cemento. La dispersión se produce durante la combustión de combustible líquido.
Condensación Ocurre durante la formación de niebla, durante la cristalización.
Cabe señalar que durante la dispersión y condensación, la formación de sistemas dispersos va acompañada de la aparición de una nueva superficie, es decir, un aumento de la superficie específica de sustancias y materiales, a veces miles o más de veces. Por tanto, la producción de sistemas dispersos, salvo algunas excepciones, requiere un gasto energético.
Al triturar y triturar, los materiales se destruyen principalmente en lugares con defectos de resistencia (macro y microfisuras). Por tanto, a medida que avanza la molienda, aumenta la fuerza de las partículas, lo que conduce a un aumento del consumo de energía para su posterior dispersión.
La destrucción de materiales puede facilitarse mediante el uso. Efecto rehbinder – Reducción de la adsorción en el deterioro de los sólidos. Este efecto consiste en reducir la energía superficial con la ayuda de tensioactivos, lo que facilita la deformación y destrucción del sólido. Como tales tensioactivos, aquí llamados reductores de dureza, Por ejemplo, se pueden utilizar metales líquidos para destruir metales sólidos o tensioactivos típicos.
Los reductores de dureza se caracterizan por pequeñas cantidades que provocan el efecto Rebinder y la especificidad de acción. Los aditivos que mojan el material ayudan a que el medio penetre en los defectos y, con la ayuda de fuerzas capilares, también facilitan la destrucción del sólido. Los tensioactivos no sólo contribuyen a la destrucción del material, sino que también estabilizan el estado disperso, evitando que las partículas se peguen entre sí.
Los sistemas con el máximo grado de dispersión sólo se pueden obtener mediante métodos de condensación.
También se pueden preparar soluciones coloidales. por método de condensación química, basado en reacciones químicas acompañadas de la formación de sustancias insolubles o poco solubles. Para ello se utilizan varios tipos de reacciones: descomposición, hidrólisis, redox, etc.
Limpieza de sistemas dispersos.
Los soles y soluciones de compuestos de alto peso molecular (HMC) contienen compuestos de bajo peso molecular como impurezas indeseables. Se eliminan mediante los siguientes métodos.
Diálisis. La diálisis fue históricamente el primer método de purificación. Fue propuesto por T. Graham (1861). El diagrama del dializador más simple se muestra en la Fig. 3 (ver apéndice). El sol a purificar, o solución del DIU, se vierte en un recipiente cuyo fondo es una membrana que retiene partículas coloidales o macromoléculas y permite el paso de moléculas de disolvente e impurezas de bajo peso molecular. El medio externo en contacto con la membrana es un disolvente. Las impurezas de bajo peso molecular, cuya concentración es mayor en la ceniza o en la solución macromolecular, pasan a través de la membrana al ambiente externo (dializado). En la figura, la dirección del flujo de impurezas de bajo peso molecular se muestra mediante flechas. La purificación continúa hasta que las concentraciones de impurezas en las cenizas y el dializado se aproximan en valor (más precisamente, hasta que se igualan los potenciales químicos en las cenizas y el dializado). Si actualiza el disolvente, podrá eliminar casi por completo las impurezas. Este uso de la diálisis es apropiado cuando el objetivo de la purificación es eliminar todas las sustancias de bajo peso molecular que atraviesan la membrana. Sin embargo, en algunos casos la tarea puede resultar más difícil: solo es necesario eliminar una cierta parte de los compuestos de bajo peso molecular del sistema. Luego, como ambiente externo se utiliza una solución de aquellas sustancias que deben conservarse en el sistema. Ésta es precisamente la tarea que se plantea a la hora de depurar la sangre de desechos y toxinas de bajo peso molecular (sales, urea, etc.).
Ultrafiltración. La ultrafiltración es un método de purificación que consiste en hacer pasar un medio de dispersión junto con impurezas de bajo peso molecular a través de ultrafiltros. Los ultrafiltros son membranas del mismo tipo que las que se utilizan para la diálisis.
La instalación más sencilla para la depuración por ultrafiltración se muestra en la Fig. 4 (ver apéndice). El sol purificado o la solución del DIU se vierte en la bolsa desde el ultrafiltro. Se aplica al sol una presión excesiva en comparación con la presión atmosférica. Puede ser creado por una fuente externa (tanque de aire comprimido, compresor, etc.) o por una gran columna de líquido. El medio de dispersión se renueva añadiendo un disolvente puro al sol. Para garantizar que la velocidad de limpieza sea lo suficientemente alta, la actualización se realiza lo más rápido posible. Esto se logra utilizando un exceso de presión significativo. Para que la membrana resista tales cargas, se aplica sobre un soporte mecánico. Dicho soporte lo proporcionan mallas y placas perforadas, filtros de vidrio y cerámica.
Microfiltración . La microfiltración es la separación de micropartículas de tamaño comprendido entre 0,1 y 10 micras mediante filtros. El rendimiento del microfiltrado está determinado por la porosidad y el espesor de la membrana. Para evaluar la porosidad, es decir, la relación entre el área de los poros y el área total del filtro, se utilizan varios métodos: exprimir líquidos y gases, medir la conductividad eléctrica de las membranas, exprimir sistemas que contienen partículas calibradas de la fase de dispersión, etc.
Los filtros microporosos están hechos de sustancias inorgánicas y polímeros. Sinterizando polvos se pueden obtener membranas de porcelana, metales y aleaciones. Las membranas poliméricas para microfiltración suelen fabricarse a partir de celulosa y sus derivados.
Electrodiálisis. La eliminación de electrolitos se puede acelerar aplicando una diferencia de potencial impuesta externamente. Este método de purificación se llama electrodiálisis. Su uso para la purificación de diversos sistemas con objetos biológicos (soluciones proteicas, suero sanguíneo, etc.) se inició como resultado del exitoso trabajo de Doré (1910). El dispositivo del electrodializador más simple se muestra en la Fig. 5 (ver apéndice). El objeto a limpiar (sol, solución de DIU) se coloca en la cámara intermedia 1 y el medio se vierte en las dos cámaras laterales. En las cámaras del cátodo 3 y del ánodo 5, los iones pasan a través de los poros de las membranas bajo la influencia de un voltaje eléctrico aplicado.
La electrodiálisis es más adecuada para la purificación cuando se pueden aplicar altos voltajes eléctricos. En la mayoría de los casos, en la etapa inicial de purificación, los sistemas contienen muchas sales disueltas y su conductividad eléctrica es alta. Por lo tanto, a altos voltajes, se pueden generar cantidades significativas de calor y pueden ocurrir cambios irreversibles en sistemas que contienen proteínas u otros componentes biológicos. Por tanto, es racional utilizar la electrodiálisis como método de limpieza final, utilizando primero la diálisis.
Conjunto métodos de limpieza. Además de los métodos de purificación individuales (ultrafiltración y electrodiálisis), se conoce su combinación: la electroultrafiltración, utilizada para la purificación y separación de proteínas.
Puede purificar y aumentar simultáneamente la concentración del sol o solución del DIU utilizando un método llamado electrodecantación. El método fue propuesto por W. Pauli. La electrodecantación se produce cuando el electrodializador funciona sin agitación. Las partículas o macromoléculas del sol tienen su propia carga y, bajo la influencia de un campo eléctrico, se mueven en dirección a uno de los electrodos. Como no pueden atravesar la membrana, aumenta su concentración en una de las membranas. Como regla general, la densidad de las partículas difiere de la densidad del medio. Por lo tanto, en el lugar donde se concentra el sol, la densidad del sistema difiere del valor promedio (generalmente la densidad aumenta al aumentar la concentración). El sol concentrado fluye hacia el fondo del electrodializador y se produce la circulación en la cámara, continuando hasta que las partículas se eliminan casi por completo.
Las soluciones coloidales y, en particular, las soluciones de coloides liófobos, purificadas y estabilizadas, pueden, a pesar de la inestabilidad termodinámica, existir durante un tiempo indefinidamente largo. Las soluciones de sol de oro rojo preparadas por Faraday aún no han sufrido cambios visibles. Estos datos sugieren que los sistemas coloidales pueden estar en equilibrio metaestable.
objetivo del trabajo: familiarizarse con varios métodos para producir sistemas dispersos.
Breve introducción teórica.
Los métodos para producir sistemas dispersos se pueden dividir en dos grupos: métodos de dispersión y métodos de condensación.
Los métodos de dispersión se basan en triturar grandes trozos de una sustancia hasta obtener el grado de dispersión requerido. Estos métodos se utilizan más a menudo para obtener suspensiones y emulsiones, mediante métodos de condensación se obtienen sistemas con tamaños de partículas de 10 -6 - 10 -7 cm. Los métodos de condensación implican la combinación de moléculas o iones al tamaño de partículas coloidales, lo que da como resultado la aparición de un límite de fase.
Para obtener sistemas dispersos mediante cualquiera de estos métodos se deben cumplir las siguientes condiciones:
a) insolubilidad o solubilidad limitada de la fase dispersa en un medio de dispersión;
b) la presencia de un estabilizador en el sistema, que debería garantizar la estabilidad de las partículas en suspensión y detener su crecimiento.
Métodos de dispersión.
Al dedicar trabajo contra las fuerzas de cohesión molecular, es posible lograr el grado deseado de dispersión de varias maneras.
1. Dispersión mecánica.
El método implica triturar, triturar o pulverizar vigorosamente y de forma prolongada la sustancia de la fase dispersa y mezclarla con un líquido que sirve como medio de dispersión. Las partículas grandes se trituran con morteros, molinos coloidales y trituradoras de pintura. Los productos farmacéuticos, lubricantes y alimenticios se producen mediante dispersión mecánica.
2. Dispersión de ultrasonidos.
El método se basa en el uso de vibraciones ultrasónicas (más de 20.000 vibraciones por segundo). La dispersión mediante ultrasonido es eficaz solo para sustancias de baja resistencia: azufre, grafito, pinturas, almidón, caucho, gelatina. Con este método se obtienen muy fácilmente emulsiones, por ejemplo, emulsiones de cacao, cremas de alta calidad, etc.
Métodos de condensación.
Los métodos de condensación se basan en los procesos de formación de partículas en fase dispersa a partir de sustancias en estado molecular o iónico. Estos procesos pueden ser de naturaleza tanto física como química.
Condensación física.
1. Método de sustitución de disolventes.
La esencia del método es que el disolvente en el que se disuelve la sustancia, formando una verdadera solución, se reemplaza por un disolvente en el que esta sustancia es insoluble. Por ejemplo, si se vierte una solución alcohólica de azufre, fósforo o colofonia en agua, la solución se satura, se produce condensación y se forman partículas en fase dispersa. Esto sucede porque estas sustancias son poco solubles en una mezcla de agua y alcohol.
2. Condensación al enfriar el vapor.
El ejemplo más obvio de condensación de vapor es la formación de niebla o humo. Otro ejemplo de formación de partículas coloidales como resultado de la condensación de vapor es la cámara de niebla utilizada en física nuclear.
Condensación química.
La producción de sistemas dispersos mediante métodos de condensación química se reduce a la formación de moléculas de sustancias insolubles como resultado de una reacción química, seguida de su aumento al tamaño de partículas coloidales. Los métodos de condensación química se clasifican según el tipo de reacción química subyacente a la producción del sol. Las reacciones que, en condiciones adecuadas, pueden dar lugar a la formación de sustancias en estado coloidal incluyen reacciones de oxidación, reducción, intercambio e hidrólisis.
1. Reacciones de oxidación.
Un ejemplo de reacción oxidativa es la oxidación del sulfuro de hidrógeno en un ambiente acuoso:
H2S + O2 = 2S + 2H2O
2. Reacciones de intercambio.
Un ejemplo de tal reacción es la formación de sol de sulfuro de arsénico (III):
Como 2 O 3 + 3H 2 S = Como 2 S 3 + 3H 2 O
3. Reacciones de hidrólisis.
La hidrólisis se utiliza con mayor frecuencia para producir soles de hidróxido metálico:
FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl
Método de peptización.
La peptización es el proceso de transición de los precipitados formados durante la coagulación a una solución coloidal. La peptización puede ser causada por el lavado del coagulado con un solvente, así como por la exposición a agentes de peptización (electrolitos, no electrolitos, tensioactivos, compuestos de alto peso molecular). Sólo se pueden peptizar sedimentos recién obtenidos, en los que no se han producido fenómenos de cristalización y las partículas no han perdido su individualidad.
Parte experimental.
I. Métodos de condensación física..
Experiencia 1. Preparación de sol de azufre mediante el método de sustitución de disolvente.
Se vierten 10 ml de agua destilada en un tubo de ensayo, se añaden 5 gotas de una solución de azufre en etanol y se mezcla vigorosamente el contenido del tubo de ensayo. Se forma un sol opalescente transparente. El azufre es soluble en alcohol, pero insoluble en agua. Al reemplazar el alcohol con agua, las moléculas de la sustancia disuelta se combinan en agregados de tamaños coloidales.
Para observar el efecto Faraday-Tyndall, se coloca un tubo de ensayo con una solución coloidal en la trayectoria del haz de luz de una linterna de proyección. Examine el tubo de ensayo en un ángulo de 90 0 con respecto a la dirección del haz incidente.