Sol es un sistema disperso con una fase dispersa de partículas sólidas. Un aerosol corresponde a un medio disperso gaseoso y un liosol (hidrosol) corresponde a un medio disperso líquido.

La dispersión de líquidos suele denominarse atomización cuando se produce en fase gaseosa, y emulsificación cuando se realiza en otro líquido que es inmiscible con el primero.

Dispersión- molienda fina de sólidos o líquidos, dando como resultado polvos, suspensiones, emulsiones ( emulsificación, o emulsificación). Cuando los sólidos se dispersan, se produce su destrucción mecánica.

Métodos de dispersión

– dispersión mecánica– realizado bajo la influencia de trabajos mecánicos externos. Métodos: abrasión, trituración, división, pulverización, burbujeo (pasar una corriente de aire a través de un líquido), sacudidas, explosión, acción del sonido y ondas ultrasónicas. Este método se utiliza para producir harina, azúcar glass, cacao en polvo, especias, café molido y otros. Tamaño de partículas obtenidas por este método, c.p. bastante grande, al menos 100 nm. Equipos: morteros, molinos, trituradoras de diversos tipos, muelas.

Para aumentar la eficiencia, la dispersión mecánica se realiza en un medio líquido. Los líquidos (soluciones tensioactivas, electrolitos) que mojan un cuerpo sólido se absorben en él y reducen la resistencia durante el mecanizado. Esto se llama reducción por adsorción en la resistencia de los sólidos o Efecto reencuadernador(fundada en 1982 por P.A. Rebinder).

– dispersión eléctrica– se basa en la formación de un arco voltaico entre electrodos de metal pulverizado colocados en un DS enfriado. Los metales se evaporan a la temperatura de un arco voltaico y luego se condensan en un DS frío. Este método produce principalmente hidrosoles metálicos (el medio de dispersión es agua), como plata, oro y platino.

– dispersión ultrasónica– basado en la influencia de vibraciones ultrasónicas con una frecuencia superior a 20 mil por 1 s, que no son detectadas por el oído humano, eficaz solo para sustancias de baja intensidad. Estos incluyen azufre, grafito, almidón, caucho, gelatina, etc.

A físico-químicodispersión aplica método peptización. Consiste en convertir sedimentos sueltos recién preparados en una solución coloidal bajo la influencia de aditivos estabilizadores especiales (peptizadores - electrolitos, soluciones tensioactivas). La acción de un peptizador es que las partículas de sedimento se separan unas de otras y quedan suspendidas formando un sol. Este método se puede utilizar para obtener, por ejemplo, hidrosol de hidróxido de hierro (III).). El método de peptización solo se puede utilizar para sedimentos recién preparados, ya que durante el almacenamiento se producen procesos de recristalización y envejecimiento que conducen a la fusión de partículas entre sí. Los tamaños de partículas obtenidos por este método son de aproximadamente 1 nm..

Candidato de Ciencias Químicas, Profesor Asociado

Tema 1. Fenómenos superficiales y adsorción.

Lección 1. Introducción. Clasificación y métodos de producción.

sistemas dispersos

conferencias

Sarátov – 2010

Introducción

1. Introducción. Materia y tareas de la química coloidal.

2. Clasificación de sistemas dispersos.

3. Métodos de obtención de sistemas dispersos.

3. Energía superficial libre y tensión superficial.

Conclusión

LITERATURA

1. Química coloidal de Frolov. – M.: Química, 1989. – P. 10-20, 115-127.

2. Gelfman M., Kovalevich O., Yustratov V. Química coloidal. – San Petersburgo: “Lan”, 2003. – P. 6-15.

AYUDAS VISUALES Y APLICACIONES

1. Diapositivas nº 1,2,3,4:

Clasificación de sistemas dispersos.

Métodos para la obtención de sistemas dispersos.

Área superficial específica

Coeficientes de tensión superficial

INTRODUCCIÓN

La disciplina “Fenómenos superficiales y adsorción” anteriormente se denominaba “Química coloidal”. La química coloidal se estudia después de completar otras ciencias químicas (química inorgánica, analítica, física, orgánica), y esto no es casualidad.

Al tener principalmente sustancias y materiales reales como objetos de investigación, la química coloidal completa la educación química general. Al mismo tiempo, es un campo de conocimiento fronterizo que combina la química física y la física de fenómenos superficiales y sistemas dispersos y considera muchos procesos naturales que no han recibido atención anteriormente. Por tanto, la química coloidal juega un papel importante en el progreso científico y tecnológico. Es casi imposible nombrar una industria en la que no existan procesos químicos coloidales (industria alimentaria, producción de seda artificial, teñido de textiles, industria del cuero, agricultura, ciencias del suelo, medicina, química militar, etc.).

1. INTRODUCCIÓN. TEMA Y TAREAS DE LA QUÍMICA COLOIDE

La tarea de la química coloidal es el estudio de sistemas heterogéneos con una interfaz de fase altamente desarrollada. Este tipo de sistemas se denominan disperso .

Una de las fases del sistema disperso suele estar muy triturada y se llama fase dispersa . La fase dispersa en un sistema disperso se distribuye en el volumen de una fase continua llamada medio de dispersión . El número de fases dispersas en un sistema disperso puede ser generalmente ilimitado.

El fundador de la química coloidal es considerado legítimamente el químico inglés Thomas Graham (G.G.), quien fue el primero en dar ideas generales sobre los sistemas dispersos y desarrollar algunos métodos para su estudio (1861). Mientras estudiaba la difusión de sustancias en soluciones, Graham notó la lenta difusión de las partículas de las soluciones coloidales y su incapacidad para atravesar las membranas, a diferencia de las moléculas de las soluciones ordinarias. Comparando soluciones ordinarias con coloidales (soles), Graham llegó a la conclusión de que era necesario separar las sustancias en "cristaloides" y "coloides".

A principios del siglo XX, un profesor del Instituto de Minería de San Petersburgo demostró que no existe un “tipo especial de coloide” y que una misma sustancia, dependiendo de las condiciones de disolución, puede ser a la vez “cristaloide” y "coloide". Así, se estableció la idea del estado coloidal de la materia, que Weimarn consideraba el estado universal de la materia.

Los sistemas dispersos son los objetos más típicos y al mismo tiempo complejos de la química coloidal, porque presentan toda una variedad de fenómenos superficiales que forman las propiedades volumétricas especiales de estos sistemas.

La mayoría de los cuerpos reales que nos rodean son sistemas dispersos, por lo que hay motivos para llamar física y química de los cuerpos reales a la ciencia de los fenómenos superficiales y los sistemas dispersos. Casi todos los cuerpos del mundo que nos rodea están dispersos. Se trata de sustancias policristalinas, fibrosas, estratificadas, porosas, granulares y otras sustancias constituidas por carga y aglutinante, así como sustancias en estado de suspensiones, pastas, emulsiones, espumas, polvo, etc. Suelo, cuerpos de flora y fauna, nubes y nieblas, muchos productos industriales, materiales de construcción, metales, polímeros, papel, cuero, tejidos, alimentos: todos estos son sistemas dispersos cuyas propiedades se estudian mediante la química coloidal.

La universalidad del estado disperso, la presencia de superficies externas e internas en la mayoría de los cuerpos reales determinan la naturaleza científica fundamental y general de la química coloidal.

Conozcamos los conceptos básicos de la química coloidal.

química coloidal Es la ciencia de los fenómenos superficiales y sistemas dispersos, sus propiedades físicas, químicas y mecánicas. Se utiliza otro nombre para la química coloidal: Fenómenos superficiales y sistemas dispersos., que refleja con mayor precisión el tema de estudio de esta ciencia.

De este modo, sujeto El estudio de la química coloidal son los sistemas dispersos y los fenómenos superficiales. Consideremos la relación entre estos conceptos.

A fenómenos superficiales Estos incluyen procesos que ocurren en el límite de fase, en la capa superficial de interfase de fases conjugadas.

Sistema disperso es un sistema bifásico o multifásico, es decir, heterogéneo en el que una de las fases está representada por partículas muy pequeñas, cuyos tamaños, sin embargo, superan significativamente a los moleculares. El sistema disperso consiste en fase dispersa Y medio de dispersión.

Fase dispersa – esta es la fase triturada del sistema disperso. Las partículas de la fase dispersa pueden tener forma esférica o cúbica, así como la forma de filamentos largos y delgados (sistemas fibrilares), películas muy delgadas y capilares.

Medio dispersivo – medio continuo en el que se distribuye la fase dispersa.

La medida de fragmentación de la fase dispersa es dispersión .

Dispersión D es el recíproco del tamaño de partícula. Para partículas esféricas, este es el diámetro d, para partículas cúbicas, esta es la arista del cubo. yo . Por eso

(1)

Cuanto más finas se trituran las partículas (es decir, cuanto mayor es la dispersión), mayor es la superficie total de las partículas de la fase dispersa, es decir, mayor es la interfaz de fase. Por lo tanto, una característica importante de los sistemas dispersos es Área superficial específica .

Área superficial específica – superficie interfacial por unidad de volumen o por unidad de masa de la fase dispersa

; , (2)

donde Ssp. – superficie específica, m2;

Enfermedad venérea. F. – volumen de fase dispersa, m3;

m d.f. – masa de la fase dispersa, g o kg.

Las fórmulas (2) también son válidas para una partícula de la fase dispersa. Un cálculo simple muestra que a medida que disminuye el tamaño de las partículas, aumenta el área de superficie específica. Para una partícula cúbica con arista  , volumen V = 3 y área de superficie S = 62 (6 lados de un cubo con área 2).

(3)

De la fórmula 3 se deduce que cuanto menor es , mayor es Ssp (ver Tabla 1).

Para asegurarse de que el área de superficie específica aumenta al aumentar el grado de dispersión, considere un cubo con una longitud de arista de 1 cm (Fig. 1). El volumen de un cubo es de 1 cm3, la superficie de seis cuadrados de 1 cm de lado es de 6 cm2. Superficie específica Ssp = 6 cm2 / 1 cm3 = 6 cm2 / cm3. Dividamos este cubo en cubos más pequeños con un tamaño de arista de 1 mm y calculemos el área de superficie específica. 10*10*10 = se formaron 1000 cubos. El volumen total de todos los cubos siguió siendo igual a 1 cm3. La superficie de cada cubo es de 6 mm2. La superficie total de mil cubos es 1000 * 6 mm2 = 6000 mm2 = 60 cm2. La superficie específica la obtenemos dividiendo la superficie por el volumen Ssp = 60 cm2 /1 cm3 = 60 cm2 / cm3. Tenga en cuenta que no puede abreviar las unidades (cm) en esta expresión, ya que estas unidades se refieren a diferentes fases: cm2 se refiere al área de interfase y cm3 se refiere al volumen de la fase dispersa. Comparando los resultados del cálculo de la superficie específica de un cubo sin triturar y uno triturado, llegamos a la conclusión de que la interfaz de fase ha aumentado 10 veces.

Figura 1. Dependencia del área de superficie específica del tamaño de partícula.

Si el proceso de trituración continúa, haciendo los cálculos necesarios, podemos estar convencidos de que a medida que disminuye el tamaño de las partículas, aumenta la superficie específica. Los datos del Cuadro 1 lo confirman. Así, para partículas con un tamaño de borde de 1 nm, la superficie específica aumenta a 6000 m2/cm3.

tabla 1

Superficie específica de los cuerpos cúbicos dependiendo de

dependiendo del grado de molienda

Se pueden realizar cálculos similares para partículas de otras formas; darán resultados similares. Por tanto, los sistemas dispersos tienen una interfaz de fase grande. Puede alcanzar varios miles de m2 por 1 g de fase dispersa.

Los ejemplos anteriores muestran que los sistemas dispersos y los fenómenos superficiales son inseparables: en los sistemas dispersos con su superficie altamente desarrollada, son los fenómenos superficiales los que determinan las propiedades específicas de estos sistemas y las formas de controlar estas propiedades.

A diferencia de otras áreas de la química, que se interesan principalmente en las propiedades generales de las fases, la química coloidal se centra en los fenómenos superficiales.

Son comunes signos de objetos La química de los coloides es la siguiente:

– heterogeneidad (las partículas de la fase dispersa, a pesar de su pequeño tamaño, representan una fase independiente);

– gran superficie específica (por tanto, los fenómenos superficiales tienen una gran influencia en las propiedades);

– alta dispersión (Los tamaños de partículas pequeños afectan las propiedades ópticas, cinéticas y de otro tipo de los sistemas).

De todo lo anterior se desprende tareas química coloidal:

– estudio de los fenómenos superficiales y las propiedades de las capas superficiales;

– estudio de las condiciones para la producción y existencia de sistemas dispersos y los factores que afectan su estabilidad;

– estudio de las propiedades moleculares-cinéticas, ópticas, eléctricas, mecánicas y otras de los sistemas dispersos.

2. CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS DISPERSOS

La clasificación de los sistemas dispersos se realiza según varios criterios.

Clasificación según el grado de conectividad de partículas en fase dispersa.

Sistemas libremente dispersos – sistemas dispersos en los que las partículas de la fase dispersa son móviles. En tales sistemas, pequeñas partículas de la fase dispersa se mueven libremente en líquido o medio de dispersión gaseoso. Se trata de emulsiones, aerosoles, suspensiones, etc.

Sistemas cohesivamente dispersos. – Sistemas dispersos en los que las partículas de la fase dispersa o del medio de dispersión están interconectadas y no pueden moverse libremente. Esta clase incluye sistemas dispersos. con dispersión sólida medio ambiente, es decir, todos los cuerpos porosos capilares (suelos, suelos, rocas, adsorbentes, carbones activados), así como geles y jaleas, en los que una red espacial continua (matriz) incluye células muy pequeñas llenas de líquido o gas (gelatina, congelada pegamento, mermelada).

Clasificación por grado de dispersión.

Consideremos esta clasificación para sistemas libremente dispersos.

1.Groseramente disperso (microheterogéneo) sistemas – sistemas con tamaños de partículas desde 100 donm (10-5 – 10-3 cm). Las partículas en fase dispersa contienen más de 109 átomos.

Los sistemas gruesos incluyen: polvos, suspensiones, emulsiones, espumas, humos. Estos sistemas son inestables, se estratifican al estar en pie, sus partículas son visibles al microscopio y quedan retenidas por un filtro de papel.

2. Sistemas dispersos en coloides (ultramicroheterogéneos) – sistemas con tamaños de partículas de 1 a 100 nm (10-7 – 10-5 cm). Las partículas dispersas contienen de 103 a 109 átomos.

Este tipo de sistemas se denominan coloidal (soluciones coloidales) o soles . Hay soles sólidos ( solidozoles ) con un medio de dispersión sólido, liosoles con un medio de dispersión líquido y aerosoles con un medio gaseoso.

Las partículas de sistemas coloidales son invisibles en un microscopio normal, pasan a través de un filtro de papel y son estables durante mucho tiempo.

3. Sistemas moleculares dispersos. – estas son verdaderas soluciones, con un tamaño de partícula de ~10-8 cm (menos de 103 átomos). Las verdaderas soluciones son sistemas homogéneos; no son objeto de estudio de la química coloidal; sus propiedades difieren marcadamente de las propiedades de las soluciones coloidales heterogéneas.

Para sistemas cohesivamente dispersos que incluyen cuerpos porosos, se aplica otra clasificación: microporosos (tamaños de poro de hasta 2 nm), porosos de transición (2-200 nm) y macroporosos (por encima de 200 nm). Es más conveniente clasificar otros sistemas dispersos con un medio de dispersión sólido por dispersión de la misma forma que los libremente dispersos.

En general, la clasificación anterior se puede presentar en forma de diagrama.

Esta clasificación es la más común. Se basa en el estado de agregación de las partículas de la fase dispersa y el medio de dispersión. La combinación de tres estados de agregación (sólido, líquido, gaseoso) nos permite distinguir nueve tipos de sistemas dispersos: por brevedad, se denominan convencionalmente como una fracción, cuyo numerador indica el estado agregado de la fase dispersa y el denominador, el medio de dispersión. Por ejemplo, la designación t/f muestra que el sistema consta de una fase sólida dispersa y un medio de dispersión líquido (sólido en líquido). La Tabla 2 muestra posibles opciones para sistemas dispersos y ejemplos de diferentes tipos de sistemas dispersos.

Clasificación según el estado de agregación de las fases.

Las mezclas de gases son, en general, sistemas homogéneos. Sin embargo, en este caso se debe tener en cuenta la microheterogeneidad de este sistema, provocada por fluctuaciones (oscilaciones) de densidad. Es la presencia de fluctuaciones de densidad y la dispersión de la luz sobre ellas lo que explica el color azul del cielo: si la atmósfera fuera completamente homogénea, entonces el cielo sería negro.

Tabla 2

Clasificación de sistemas dispersos según el estado de agregación de fases.

Dispersivo	Fase dispersa
	Sólido	Líquido
	Suspensiones y soles: suspensiones industriales, suspensiones, pastas, lodos, medicamentos, aguas naturales	Emulsiones : aceite natural, leche, cremas, medicamentos	Espuma : flotación, fuego, jabón
	Sistemas sólidos heterogéneos: minerales, aleaciones, hormigón, materiales compuestos, plásticos	Sistemas capilares: geles, líquidos en cuerpos porosos, en adsorbentes, suelos, suelos, tejidos de organismos vivos, perlas	Cuerpos porosos: adsorbentes y catalizadores en gases, carbones activados, hormigón celular, espuma de poliuretano, piedra pómez, chocolate aireado
Gaseoso	Aerosoles: polvo, humos, polvos, nubes cirros, bacterias en el aire	Aerosoles: Nieblas, incluidas nieblas industriales, cúmulos y atmósfera terrestre.	mezcla de gases

3. MÉTODOS PARA LA OBTENCIÓN DE SISTEMAS DISPERSOS

Analicemos brevemente los métodos para obtener sistemas dispersos. Como saben, los soles, en términos del tamaño de partícula de la fase dispersa, ocupan una posición intermedia entre las verdaderas soluciones y suspensiones, por lo que, naturalmente, se pueden obtener combinando moléculas individuales o iones de una sustancia disuelta en agregados, o como resultado de la dispersión de partículas relativamente grandes. De acuerdo con esto, Svedberg divide los métodos para la síntesis de sistemas coloidales en condensación y dispersión . El método se distingue de estos métodos. peptización , que consiste en transferir sedimentos, cuyas partículas primarias ya tienen tamaños coloidales, a una solución coloidal. Finalmente, en algunos casos, se pueden formar sistemas coloidales mediante dispersión espontánea de la fase dispersa en un medio de dispersión.

Las dos condiciones principales para la obtención de sistemas coloidales, independientemente del método de síntesis utilizado, son: la insolubilidad de la fase dispersa en el medio de dispersión y la presencia en el sistema en el que se forman las partículas de sustancias capaces de estabilizar estas partículas. Dichas sustancias pueden ser sustancias extrañas introducidas especialmente en el sistema o compuestos formados durante la interacción de la fase dispersa con el medio de dispersión.

Métodos de dispersión para la obtención de sistemas dispersos.

dispersando es la molienda de sólidos y líquidos en un ambiente inerte (que no interactúa con la sustancia que se está moliendo), en el que la dispersión aumenta bruscamente y se forma un sistema disperso con una superficie interfacial específica significativa. A diferencia de la disolución, la dispersión, por regla general, no se produce de forma espontánea, sino con el gasto de trabajo externo dedicado a superar las fuerzas intermoleculares durante la trituración de la sustancia.

El proceso de dispersión es de gran importancia práctica en varias industrias y procesos tecnológicos: en la producción de polvos altamente dispersos, pigmentos para pinturas, en la molienda de minerales, en la producción de harina y otros productos alimenticios, etc.

Se conocen varios métodos de dispersión.

Para obtener sistemas bastos se utilizan molinos de bolas, que son cilindros huecos giratorios que contienen una determinada cantidad de bolas de acero o cerámica. A medida que el cilindro gira, estas bolas ruedan, aplastando y desgastando el material que se está triturando. Los molinos de bolas producen polvos, cemento, pinturas molidas espesas, etc.; el tamaño de partícula de la fase dispersa en ellos se puede aumentar sólo a 1000 nm. Para una molienda más fina, hasta 100 nm y menos, se utilizan molinos coloidales, en los que el material triturado (suspensión gruesa), que pasa a través del espacio entre el rotor giratorio y el cuerpo del molino, se somete a una molienda adicional. En molinos coloidales se producen acuarelas, polvos, medicamentos, etc.

Métodos de condensación para la obtención de sistemas dispersos.

Los métodos de condensación, en comparación con los métodos de dispersión, permiten obtener sistemas coloidales de mayor dispersión.

Los métodos de condensación para producir sistemas dispersos se basan en la creación de condiciones bajo las cuales el futuro medio de dispersión esté sobresaturado con la sustancia de la futura fase dispersa. Dependiendo de los métodos para crear estas condiciones, el método de condensación se divide en físico Y químico .

Los métodos físicos incluyen:

A) Condensación de vapor haciéndolos pasar a través de un líquido frío, lo que da como resultado la formación de liosoles. Así, cuando los vapores de mercurio, azufre y selenio hirviendo pasan a agua fría, se forman sus soluciones coloidales.

b) Reemplazo de solvente . El método se basa en el hecho de que la sustancia a partir de la cual se va a obtener el sol se disuelve en un solvente adecuado, luego se agrega un segundo líquido, que es un mal solvente para la sustancia, pero se mezcla bien con el solvente original. La sustancia inicialmente disuelta se libera de la solución en un estado muy disperso. Por ejemplo, de esta forma se pueden obtener hidrosoles de azufre, fósforo, colofonia y parafina vertiendo su solución alcohólica en agua.

Condensación química Se diferencia de todos los métodos discutidos anteriormente en que la sustancia dispersable no se toma en forma terminada, sino que se obtiene directamente en solución mediante una reacción química, como resultado de lo cual se forma el compuesto deseado, insoluble en el medio dado. La tarea se reduce a obtener el precipitado que cae finamente disperso. En los métodos de condensación química se utilizan cualquier reacción que conduzca a la formación de una nueva fase: reacciones de doble intercambio, descomposición, oxidación-reducción, etc. La solución coloidal suele ser estabilizada por uno de los participantes de la reacción o un subproducto, del cual Las partículas se forman en la interfaz partícula-medio, capas de adsorción de tipo iónico o molecular que evitan que las partículas se peguen y se sedimenten.

4. ENERGÍA SUPERFICIAL LIBRE Y TENSIÓN SUPERFICIAL

Los fenómenos superficiales son de particular importancia para las propiedades de sistemas dispersos con una interfaz de fase desarrollada. Los fenómenos superficiales están asociados con procesos como humectación y dispersión de líquidos sobre la superficie, adhesión, lavado, adsorción superficial, fenómenos capilares y flotación. En estos fenómenos se basan varios procesos tecnológicos: teñido e impresión, catálisis heterogénea, uso de aglutinantes y adhesivos, fabricación de máscaras antigás y tratamiento de aguas residuales. El conocimiento de la naturaleza de los fenómenos superficiales es necesario para un químico militar, ya que son estos procesos los que están asociados con la contaminación de las superficies de los equipos militares y su desgasificación, el tratamiento especial de los uniformes y el funcionamiento de las máscaras antigás.

Cualquier interfaz de fase es muy diferente en propiedades físicas y químicas de ambas fases en contacto. Tomemos dos fases de contacto: gas y líquido, consideremos el comportamiento de las moléculas del líquido dentro del volumen y en la superficie (Fig.1).

Figura 2. Acción de fuerzas intermoleculares en volumen y en superficie.

Hay interacción intermolecular entre moléculas. Si una molécula está dentro, experimenta la atracción de todas las moléculas vecinas. La resultante de todas estas fuerzas es 0. Una molécula ubicada en la superficie experimenta atracción solo por las moléculas internas (el gas, debido a su estado enrarecido, interactúa débilmente), la resultante de estas fuerzas se dirige hacia el cuerpo, es decir, la tendencia a atraer moléculas de la superficie hacia el cuerpo se expresa claramente, la superficie del cuerpo parece estar en un estado tenso y tiende a contraerse. Dado que la acción de las fuerzas sobre las moléculas superficiales no está compensada, dichas moléculas tienen energía superficial libre. Demos una definición.

Energía superficial libre – este es el exceso de energía de las moléculas de la capa superficial en comparación con las moléculas ubicadas dentro DE = E* – Eavg.

Esta energía depende de la naturaleza de la sustancia de las fases en contacto, de la temperatura y del área de separación de fases.

donde Fs es la energía superficial libre, J;

s – área de interfaz de fase, m2;

s – coeficiente de proporcionalidad, llamado coeficiente de tensión superficial (o simplemente tensión superficial), J/m2.

Como sabes, cualquier sistema se esfuerza por conseguir un mínimo de energía. Para reducir la energía superficial libre (Fs = ss), el sistema tiene dos formas: reducir la tensión superficial s o el área interfacial s.

Se produce una disminución de s durante la adsorción de sustancias en superficies sólidas y líquidas (esta es la fuerza impulsora de la adsorción), cuando un líquido se esparce sobre otro.

El deseo de reducir la superficie S conduce a la fusión de partículas de la fase dispersa, a su aumento (al mismo tiempo, se reduce la superficie específica), es decir, este proceso es la causa de la inestabilidad termodinámica de los sistemas dispersos. .

La tendencia de un líquido a reducir su superficie lleva a que tienda a tomar la forma de una esfera. Los cálculos matemáticos muestran que una esfera tiene el área más pequeña a un volumen constante, por lo que las partículas líquidas adoptan una forma esférica, a menos que estas gotas sean aplanadas por la gravedad. Las gotas de mercurio en la superficie toman forma de bolas. En gravedad cero, todos los líquidos toman la forma de una bola; La forma esférica de los planetas también se atribuye a la acción de fuerzas superficiales.

Tensión superficial

El significado físico del coeficiente de tensión superficial se puede interpretar desde diferentes puntos de vista.

1.Energía superficial libre (superficie específica

energía)

De la expresión (3) se deduce

https://pandia.ru/text/77/498/images/image009_29.gif" ancho="57" alto="48"> [J/m2], (6)

donde W es el trabajo para crear una nueva interfaz de fase, J;

S – área de interfaz, m2.

De la expresión (5) se deduce que s es el trabajo que se debe realizar para aumentar el área de interfaz de las fases en una unidad en condiciones isotérmicas con un volumen de líquido constante (es decir, transferir la cantidad adecuada de moléculas líquidas del volumen a la capa superficial).

Por ejemplo, cuando se salpica un líquido, se realiza trabajo, que se convierte en energía superficial libre (cuando se salpica, la interfaz entre las fases aumenta muchas veces). El mismo trabajo se gasta al triturar sólidos.

Dado que la tensión superficial está asociada con el trabajo invertido en romper los enlaces intermoleculares al transferir moléculas de la masa a la capa superficial, es obvio que la tensión superficial es una medida de las fuerzas de interacción intermolecular dentro de un líquido. Cuanto más polar es el líquido, más fuerte es la interacción entre las moléculas, cuanto más fuerte se atraen las moléculas de la superficie hacia adentro, mayor es el valor de s.

Entre los líquidos, el agua tiene el mayor valor s. Esto no es una coincidencia, ya que entre las moléculas de agua se forman enlaces de hidrógeno bastante fuertes. En los hidrocarburos apolares, sólo existen interacciones de dispersión débiles entre moléculas, por lo que su tensión superficial es baja. El valor de s es aún mayor para el mercurio líquido. Esto indica una interacción interatómica significativa (y una gran cantidad de energía superficial libre).

Los sólidos se caracterizan por un alto valor s.

3.fuerza superficial

También existe una interpretación de fuerza de la tensión superficial. Con base en la dimensión del coeficiente de tensión superficial J/m2, podemos escribir

De este modo, La tensión superficial es una fuerza superficial aplicada por unidad de longitud del contorno que delimita la superficie y cuyo objetivo es reducir la interfaz. etapas .

La existencia de esta fuerza queda claramente ilustrada por la experiencia de Dupre. Se fija un puente móvil a un marco de alambre rígido (Fig. 2). Se estira una película de jabón en el marco (posición 1). Para estirar esta película hasta la posición 2, es necesario aplicar una fuerza F, que es contrarrestada por la fuerza de tensión superficial F2. Esta fuerza se dirige a lo largo de la superficie (tangencialmente), perpendicular al contorno que limita la superficie. Para la película de la Fig. 2, el papel de parte del circuito lo desempeña un puente móvil.

Arroz. 3. La experiencia de Dupre

Por eso,

donde F es la fuerza que aprieta el contorno de la superficie, N;

 – longitud del contorno, m.

La acción de la tensión superficial se puede visualizar como un conjunto de fuerzas que tiran de los bordes de una superficie hacia el centro (por eso esta fuerza se llama tensión superficial). Estas fuerzas se muestran en la Fig. 3 flechas – vectores; la longitud de las flechas refleja la magnitud de la tensión superficial y la distancia entre ellas corresponde a la unidad de longitud del contorno.

Arroz. 4. Acción de las fuerzas de tensión superficial.

Por tanto, las fuerzas de tensión superficial tienen las siguientes propiedades:

1) distribuido uniformemente a lo largo de la línea de separación de fases;

La tensión superficial ocurre en todas las interfaces de fase; de ​​acuerdo con el estado de agregación de estas fases, se han introducido las siguientes designaciones:

sJ-G (en el límite líquido-gas)

sZh1-Zh2 (en el límite de dos líquidos inmiscibles)

sТ-Г (en el límite sólido-gas)

sТ-Л (en el límite sólido-líquido)

La tensión superficial en la interfaz líquido-gas y líquido-líquido se puede determinar directamente de forma experimental. Los métodos para determinar la tensión superficial en la interfaz con un sólido se basan en mediciones indirectas.

CONCLUSIÓN

Hoy nos familiarizamos con los conceptos básicos de la química coloidal y pasamos a considerar los fenómenos superficiales que tienen un papel importante en la naturaleza y la tecnología. En la próxima conferencia continuaremos conociendo fenómenos superficiales como la adhesión y cohesión, la humectación y extensión, la adsorción.

Profesor Asociado del Departamento de Educación Física

Un sistema disperso es un sistema en el que una sustancia se distribuye en el medio de otra y existe un límite de fase entre las partículas y el medio de dispersión. Los sistemas dispersos constan de una fase dispersa y un medio de dispersión.

La fase dispersa son partículas distribuidas en el medio. Sus signos: dispersión e intermitencia.

El medio de dispersión es el medio material en el que se encuentra la fase dispersa. Su signo es la continuidad.

Método de dispersión. Consiste en la trituración mecánica de sólidos hasta una dispersión determinada; dispersión por vibraciones ultrasónicas; dispersión eléctrica bajo la influencia de corriente alterna y continua. Para la obtención de sistemas dispersos por el método de dispersión se utilizan ampliamente dispositivos mecánicos: trituradoras, molinos, morteros, rodillos, trituradoras de pintura, agitadores. Los líquidos se atomizan y rocían mediante boquillas, trituradoras, discos giratorios y centrífugas. La dispersión de gases se lleva a cabo principalmente burbujeando a través de un líquido. En los polímeros de espuma, el hormigón celular y el yeso celular, los gases se producen utilizando sustancias que liberan gas a temperaturas elevadas o en reacciones químicas.

A pesar del uso generalizado de métodos de dispersión, no pueden utilizarse para obtener sistemas dispersos con un tamaño de partícula de -100 nm. Estos sistemas se obtienen mediante métodos de condensación.

Los métodos de condensación se basan en el proceso de formación de una fase dispersa a partir de sustancias en estado molecular o iónico. Un requisito necesario para este método es la creación de una solución sobresaturada a partir de la cual se debe obtener un sistema coloidal. Esto se puede lograr bajo ciertas condiciones físicas o químicas.

Métodos físicos de condensación:

1) enfriar vapores de líquidos o sólidos durante la expansión adiabática o mezclarlos con un gran volumen de aire;

2) eliminación gradual (evaporación) del disolvente de la solución o sustitución por otro disolvente en el que la sustancia dispersada sea menos soluble.

Así, la condensación física se refiere a la condensación de vapor de agua en la superficie de partículas sólidas o líquidas, iones o moléculas cargadas en el aire (niebla, smog).

El reemplazo de solvente da como resultado la formación de un sol cuando se agrega otro líquido a la solución original, que se mezcla bien con el solvente original pero es un mal solvente para el soluto.

Los métodos de condensación química se basan en la realización de diversas reacciones, como resultado de las cuales se precipita una sustancia no disuelta de una solución sobresaturada.

La condensación química puede basarse no solo en reacciones de intercambio, sino también en reacciones redox, hidrólisis, etc.

Los sistemas dispersos también se pueden obtener mediante peptización, que consiste en convertir sedimentos, cuyas partículas ya tienen tamaños coloidales, en una “solución” coloidal. Se distinguen los siguientes tipos de peptización: peptización por lavado del sedimento; peptización con tensioactivos; peptización química.

Desde un punto de vista termodinámico, el método más ventajoso es la dispersión.

Métodos de limpieza:

1. Diálisis: purificación de soles a partir de impurezas mediante membranas semipermeables lavadas con un disolvente puro.

2. Electrodiálisis: diálisis acelerada por un campo eléctrico.

3. Ultrafiltración: purificación presionando un medio de dispersión junto con impurezas de bajo peso molecular a través de una membrana semipermeable (ultrafiltro).

Propiedades moleculares-cinéticas y ópticas de sistemas dispersos: movimiento browniano, presión osmótica, difusión, equilibrio de sedimentación, análisis de sedimentación, propiedades ópticas de sistemas dispersos.

Todas las propiedades cinéticas moleculares son causadas por el movimiento espontáneo de moléculas y se manifiestan en el movimiento browniano, la difusión, la ósmosis y el equilibrio de sedimentación.

El movimiento browniano es el movimiento continuo, caótico e igualmente probable en todas direcciones de pequeñas partículas suspendidas en líquidos o gases debido a la influencia de las moléculas de un medio de dispersión. La teoría del movimiento browniano se basa en la idea de la interacción de una fuerza aleatoria, que caracteriza los impactos de moléculas, una fuerza dependiente del tiempo y una fuerza de fricción cuando las partículas de una fase dispersa se mueven en un medio dispersivo a una velocidad cierta velocidad.

Además del movimiento de traslación, también es posible el movimiento de rotación, típico de partículas bidimensionales de forma irregular (hilos, fibras, escamas). El movimiento browniano es más pronunciado en sistemas muy dispersos y su intensidad depende de la dispersión.

La difusión es la propagación espontánea de una sustancia desde un área de mayor concentración a un área de menor concentración. Se distinguen los siguientes tipos:

1.)molecular

3) partículas coloidales.

La tasa de difusión en los gases es la más alta y en los sólidos es la menor.

La presión osmótica es el exceso de presión sobre una solución que es necesaria para evitar la transferencia de disolvente a través de la membrana. La DO ocurre cuando un solvente puro pasa hacia una solución o de una solución más diluida hacia una más concentrada, y por lo tanto está relacionada con la concentración del soluto y el solvente. La presión osmótica es igual a la presión que produciría la fase dispersa (soluto) si, en forma de gas, a la misma temperatura, ocupara el mismo volumen que el sistema coloidal (solución).

La sedimentación es la separación de sistemas dispersos bajo la influencia de la gravedad con separación de la fase dispersa en forma de sedimento. La capacidad de sedimentación de los sistemas dispersos es un indicador de su estabilidad de sedimentación. Los procesos de separación se utilizan cuando es necesario aislar uno u otro componente de algún componente de algún producto natural o preparado artificialmente, que es un sistema líquido heterogéneo. En algunos casos, se elimina un componente valioso del sistema, en otros, se eliminan impurezas no deseadas. En la restauración pública, los procesos de separación de sistemas dispersos son necesarios cuando es necesario obtener bebidas claras, clarificar el caldo y liberarlo de partículas de carne.

El comportamiento de un haz de luz al encontrar en su camino partículas de la fase dispersa depende de la relación entre la longitud de onda de la luz y el tamaño de las partículas. Si el tamaño de las partículas es mayor que la longitud de onda de la luz, entonces la luz se refleja desde la superficie de las partículas en un cierto ángulo. Este fenómeno se observa en suspensiones. Si el tamaño de las partículas es menor que la longitud de onda de la luz, entonces la luz se dispersa.

Los métodos para producir soluciones coloidales también se pueden dividir en dos grupos: métodos de condensación y dispersión (un grupo separado es el método de peptización, que se discutirá más adelante). Otra condición necesaria para la obtención de soles, además de llevar el tamaño de las partículas a coloidales, es la presencia en el sistema de estabilizadores, sustancias que impiden el proceso de agrandamiento espontáneo de las partículas coloidales.

Arroz. Clasificación de métodos para producir sistemas dispersos (el tipo de sistema se indica entre paréntesis)

Métodos de dispersión

Los métodos de dispersión se basan en la trituración de sólidos en partículas de tamaño coloidal y, por tanto, en la formación de soluciones coloidales. El proceso de dispersión se lleva a cabo mediante varios métodos: trituración mecánica de la sustancia en el llamado. molinos coloidales, pulverización de metales por arco eléctrico, trituración de sustancias mediante ultrasonidos.

La dispersión puede ser espontánea o no espontánea. La dispersión espontánea es característica de los sistemas liofílicos y se asocia con un aumento del desorden del sistema (cuando se forman muchas partículas pequeñas a partir de una pieza grande). Cuando se dispersa a temperatura constante, el aumento de entropía debe exceder el cambio de entalpía.

ΔH > TΔS; ΔG > 0.

El proceso de dispersión en este caso normalmente no es espontáneo y se lleva a cabo gracias a energía externa.

La dispersión se caracteriza por el grado de dispersión. Está determinado por la relación entre los tamaños del producto inicial y las partículas de la fase dispersa del sistema resultante. El grado de dispersión se puede expresar de la siguiente manera:

α 1 = re norte / re k; α 2 = B n / B k; α 3 = V n / V k,

donde re n; d a; mil millones; B a; V n; Vк - respectivamente diámetro, superficie y volumen de partículas antes y después de la dispersión.

Por tanto, el grado de dispersión se puede expresar en términos de tamaño (α 1), área de superficie (α 2) o volumen (α 3) de partículas de fase dispersa, es decir Puede ser lineal, superficial o volumétrico.

El trabajo W necesario para dispersar un sólido o un líquido se gasta en deformar el cuerpo W d y en la formación de una nueva interfaz de fase Wa, que se mide por el trabajo de adhesión. La deformación es un requisito previo necesario para la destrucción de un cuerpo. Según P.A. Reaglutinante, el trabajo de dispersión está determinado por la fórmula.

W = W a + W d = σ*ΔB + kV,

donde σ* es un valor proporcional o igual a la tensión superficial en la interfaz entre la fase dispersa y el medio de dispersión; ΔB: aumento de la interfaz de fase como resultado de la dispersión; V es el volumen del cuerpo original antes de la dispersión; k es un coeficiente equivalente al trabajo de deformación por unidad de volumen de un cuerpo.

Métodos de condensación

Los métodos de condensación para producir sistemas dispersos incluyen condensación, desublimación y cristalización. Se basan en la formación de una nueva fase en condiciones de estado sobresaturado de una sustancia en un medio gaseoso o líquido. En este caso, el sistema pasa de homogéneo a heterogéneo. La condensación y la desublimación son características de un medio gaseoso y la cristalización es característica de un medio líquido.

Una condición necesaria para la condensación y la cristalización es la sobresaturación y la distribución desigual de la sustancia en el medio de dispersión (fluctuación de concentración), así como la formación de centros o núcleos de condensación.

El grado de sobresaturación β para la solución y el vapor se puede expresar de la siguiente manera:

β f = s/s s , β P = r/p s ,

donde p, c son la presión de vapor sobresaturado y la concentración de la sustancia en la solución sobresaturada; р s es la presión de equilibrio del vapor saturado sobre una superficie plana; c s es la concentración de equilibrio correspondiente a la formación de una nueva fase.

Para llevar a cabo la cristalización se enfría la solución o la mezcla de gases.

Los métodos de condensación para la obtención de sistemas dispersos se basan en los procesos de cristalización, desublimación y condensación, los cuales son causados ​​por una disminución de la energía de Gibbs (ΔG< 0) и протекают самопроизвольно.

Durante la nucleación y formación de partículas a partir de una solución sobresaturada o medio gaseoso, el potencial químico µ cambia y aparece una interfaz, que se convierte en portadora del exceso de energía superficial libre.

El trabajo empleado en la formación de partículas está determinado por la tensión superficial σ y es igual a:

W 1 = 4πr 2 σ,

donde 4πr 2 es la superficie de partículas esféricas con radio r.

El potencial químico cambia de la siguiente manera:

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

donde μ i / y μ i // son los potenciales químicos de sistemas homo y heterogéneos (durante la transición de pequeñas gotas a grandes).

El cambio de potencial químico caracteriza la transferencia de un cierto número de moles de una sustancia de una fase a otra; este número n moles es igual al volumen de la partícula 4πr 3 /3 dividido por el volumen molar Vm:

El trabajo de formación de una nueva superficie durante el proceso de condensación W k es igual a:

donde W 1 y W 2 son, respectivamente, el trabajo empleado en la formación de la superficie de la partícula y el trabajo en la transferencia de materia de un medio homogéneo a uno heterogéneo.

La formación de sistemas dispersos puede ocurrir como resultado de la condensación física y química, así como cuando se reemplaza el solvente.

La condensación física ocurre cuando disminuye la temperatura de un medio gaseoso que contiene vapores de diversas sustancias. Cuando se cumplen las condiciones necesarias se forman partículas o gotas de la fase dispersa. Un proceso similar tiene lugar no sólo en el volumen de gas, sino también en una superficie sólida enfriada, que se coloca en un ambiente de gas más cálido.

La condensación está determinada por la diferencia de potenciales químicos (μ i // - μ i /)< 0, которая изменяется в результате замены растворителя. В отличие от обычной физической конденсации при reemplazo de solvente la composición y propiedades del medio de dispersión no permanecen constantes. Si se vierten en agua soluciones de alcohol o acetona de azufre, fósforo, colofonia y algunas otras sustancias orgánicas, la solución se sobresatura, se produce condensación y se forman partículas en fase dispersa. El método de sustitución de disolventes es uno de los pocos mediante el cual se pueden obtener soles.

En condensación química la formación de una sustancia se produce con su sobresaturación y condensación simultáneas.

9. Determinar el cambio en el potencial isobárico-isotérmico de la reacción. N 2 (g) + 2H 2 O (l) = NH 4 NO 2 (l) y dar una conclusión sobre la dirección de su flujo en condiciones estándar, si para H 2 O (l) es igual a – 237,4 kJ/ mol, y para NH 4 NO 2 (l) es igual a – 115,8 kJ/mol.

El cambio en el potencial isobárico-isotérmico es menor que 0, por lo tanto, el proceso puede proceder espontáneamente en la dirección de una reacción directa.

14. Determinar la molecularidad y el orden de una reacción química usando ejemplos específicos.

La molecularidad de una reacción está determinada por el número mínimo de moléculas que participan simultáneamente en el acto elemental de una reacción determinada. La molecularidad y el orden de la reacción son numéricamente iguales sólo para las reacciones más simples. Para procesos complejos, estas características de reacción serán diferentes (el orden de la reacción es menor que su molecularidad). En consecuencia, el concepto formal del orden de una reacción en la mayoría de los casos no refleja su complejo mecanismo, es decir la presencia de varias reacciones elementales intermedias (etapas). Sin embargo, el conocimiento del orden experimental de la reacción permite juzgar el mecanismo propuesto comparando los valores de n calculados y observados experimentalmente. Cuando el orden de una reacción determinado experimentalmente no corresponde al número de moles de reactivos que participan en la reacción, esto indica que la reacción no es un proceso elemental, sino que se desarrolla a través de un mecanismo complejo. Para un mecanismo complejo, la velocidad de la reacción general está determinada por la velocidad de la etapa más lenta del proceso de múltiples etapas. Por tanto, si una reacción se desarrolla en una etapa, entonces su orden es igual a la molecularidad; Si una reacción se desarrolla en varias etapas, entonces el orden de cada etapa de la reacción es igual a la molecularidad de solo esta etapa. Por tanto, la determinación experimental del orden de una reacción puede servir como método para estudiar su mecanismo.

Si solo se necesita una partícula (molécula) para realizar un acto elemental, entonces dicha reacción se llama monomolecular.

Para un proceso elemental con la participación simultánea de dos partículas, la reacción se llamará bimolecular, etc.

Por ejemplo:

La reacción es monomolecular, el orden de reacción es 1/3.

C (t) + H 2 O (g) CO (g) + H 2 (g)

La reacción es bimolecular, el orden de reacción es 2/2= 1.

La reacción es trimolecular, el orden de reacción es 2/3 (de tres moléculas de sustancias que reaccionan se obtienen dos moléculas del producto de reacción).

29. El cambio de energía libre que acompaña a una reacción química, su conexión con la constante de equilibrio. Cálculo del efecto térmico de la reacción.

El cambio en la energía libre de Gibbs, o el cambio en el potencial isobárico-isotérmico, es la parte máxima de la energía del sistema que, en determinadas condiciones, puede convertirse en trabajo útil. Cuando la reacción se produce de forma espontánea.

De acuerdo con la ley de acción de masas para una reacción arbitraria.

a A + b B = c C + d D (1)

La ecuación de velocidad para la reacción directa se puede escribir:

, (2)

y para la velocidad de reacción inversa

. (3)

A medida que la reacción (1.33) avanza de izquierda a derecha, las concentraciones de las sustancias A y B disminuirán y la velocidad de la reacción directa disminuirá. Por otro lado, a medida que se acumulan los productos de reacción C y D, aumentará la velocidad de la reacción de derecha a izquierda. Llega un momento en el que las velocidades υ 1 y υ 2 se vuelven iguales, las concentraciones de todas las sustancias permanecen sin cambios, por lo tanto,

¿Dónde K c = k 1 / k 2 = .

El valor constante Kc, igual a la relación de las constantes de velocidad de las reacciones directa e inversa, describe cuantitativamente el estado de equilibrio a través de las concentraciones de equilibrio de las sustancias de partida y los productos de su interacción (en la medida de sus coeficientes estequiométricos) y se llama constante de equilibrio. La constante de equilibrio es constante sólo para una temperatura determinada, es decir K c = f (T). La constante de equilibrio de una reacción química generalmente se expresa como una relación, cuyo numerador es el producto de las concentraciones molares de equilibrio de los productos de reacción y el denominador es el producto de las concentraciones de las sustancias de partida.

Si los componentes de la reacción son una mezcla de gases ideales, entonces la constante de equilibrio (K p) se expresa en términos de las presiones parciales de los componentes:

K p = . (5)

De la ecuación (6) se deduce que K p = K c siempre que la reacción se desarrolle sin cambiar el número de moles en la fase gaseosa, es decir cuando (c + d) = (a + b).

Si la reacción (1) ocurre espontáneamente a P y T constantes o V y T, entonces los valores de G y esta reacción se pueden obtener de la ecuación:

donde Р А, Р В, Р С, Р D son las presiones parciales de las sustancias de partida y los productos de reacción.

La ecuación (7) se denomina ecuaciones isotérmicas de reacciones químicas de Van't Hoff. Esta relación permite calcular los valores de G y F de la reacción y determinar su dirección en diferentes concentraciones de las sustancias de partida.

Cabe señalar que tanto para sistemas gaseosos como para soluciones, cuando los sólidos participan en la reacción (es decir, para sistemas heterogéneos), la concentración de la fase sólida no se incluye en la expresión de la constante de equilibrio, ya que esta concentración es prácticamente constante. Si, para reaccionar

2 CO (g) = CO 2 (g) + C (t)

la constante de equilibrio se escribe como

La dependencia de la constante de equilibrio de la temperatura (para la temperatura T 2 en relación con la temperatura T 1) se expresa mediante la siguiente ecuación de van't Hoff:

, (8)

dondeН 0 – efecto térmico de la reacción.

34. Ósmosis, presión osmótica. Ecuación de Van't Hoff y coeficiente osmótico.

La ósmosis es el movimiento espontáneo de moléculas de disolvente a través de una membrana semipermeable que separa soluciones de diferentes concentraciones, desde una solución de menor concentración a una solución de mayor concentración, lo que conduce a la dilución de esta última. A menudo se utiliza una película de celofán como membrana semipermeable, a través de cuyos pequeños orificios sólo pueden pasar selectivamente moléculas de disolvente de pequeño volumen y se retienen moléculas o iones grandes o solvatados (para sustancias de alto peso molecular, y una película de ferrocianuro de cobre) para sustancias de bajo peso molecular. El proceso de transferencia de disolvente (ósmosis) se puede prevenir si se aplica presión hidrostática externa a una solución con una concentración más alta (en condiciones de equilibrio, esta será la llamada presión osmótica, indicada con la letra ). Para calcular el valor de  en soluciones de no electrolitos se utiliza la ecuación empírica de Van't Hoff:

= C R T,

donde C es la concentración molar de la sustancia, mol/kg;

R – constante universal de los gases, J/mol K.

La magnitud de la presión osmótica es proporcional al número de moléculas (en general, el número de partículas) de una o más sustancias disueltas en un volumen dado de solución, y no depende de su naturaleza ni de la naturaleza del disolvente. En soluciones de electrolitos fuertes o débiles, el número total de partículas individuales aumenta debido a la disociación de las moléculas, por lo que en la ecuación para calcular la presión osmótica se debe introducir un coeficiente de proporcionalidad apropiado, llamado coeficiente isotónico.

i C R T,

donde i es el coeficiente isotónico, calculado como la relación entre la suma del número de iones y moléculas de electrolitos no disociados y el número inicial de moléculas de esta sustancia.

Entonces, si el grado de disociación del electrolito, es decir la relación entre el número de moléculas desintegradas en iones y el número total de moléculas de la sustancia disuelta es igual a  y la molécula de electrolito se desintegra en n iones, entonces el coeficiente isotónico se calcula de la siguiente manera:

i = 1 + (n – 1) · ,(i > 1).

Para electrolitos fuertes, podemos tomar  = 1, luego i = n, y el coeficiente i (también mayor que 1) se llama coeficiente osmótico.

El fenómeno de la ósmosis es de gran importancia para los organismos vegetales y animales, ya que las membranas de sus células en relación con las soluciones de muchas sustancias tienen las propiedades de una membrana semipermeable. En agua pura, la célula se hincha mucho, en algunos casos hasta el punto de romper la membrana, y en soluciones con alta concentración de sales, por el contrario, disminuye de tamaño y se arruga debido a la gran pérdida de agua. Por eso, a la hora de conservar los alimentos se les añade grandes cantidades de sal o azúcar. Las células microbianas en tales condiciones pierden una cantidad significativa de agua y mueren.

La presión osmótica asegura el movimiento del agua en las plantas debido a la diferencia de presión osmótica entre la savia celular de las raíces de las plantas (5-20 bar) y la solución del suelo, que se diluye aún más durante el riego. La presión osmótica hace que el agua suba en la planta desde las raíces hasta la parte superior. Así, las células de las hojas, al perder agua, la absorben osmóticamente de las células madre y estas últimas la toman de las células de la raíz.

49. Calcule la fem de una celda galvánica de cobre-zinc en la que la concentración de iones Ctu 2 + es igual a 0,001 mol/l, y los ioneszinc 2+ 0,1 mol/l. Al realizar cálculos, tenga en cuenta los valores estándar de EMF:

ε o (Zn 2+ /Zn 0) = – 0,74 V y ε o (Cu 2 + /Cu 0) = + 0,34 V.

Para calcular el valor EMF, se utiliza la ecuación de Nernst.

54. Métodos de obtención de sistemas dispersos, su clasificación y breves características. ¿Qué método de obtención de sistemas dispersos es más beneficioso desde el punto de vista termodinámico?

Método de dispersión. Consiste en la trituración mecánica de sólidos hasta una dispersión determinada; dispersión por vibraciones ultrasónicas; dispersión eléctrica bajo la influencia de corriente alterna y continua. Para la obtención de sistemas dispersos por el método de dispersión se utilizan ampliamente dispositivos mecánicos: trituradoras, molinos, morteros, rodillos, trituradoras de pintura, agitadores. Los líquidos se atomizan y rocían mediante boquillas, trituradoras, discos giratorios y centrífugas. La dispersión de gases se lleva a cabo principalmente burbujeando a través de un líquido. En los polímeros de espuma, el hormigón celular y el yeso celular, los gases se producen utilizando sustancias que liberan gas a temperaturas elevadas o en reacciones químicas.

A pesar del uso generalizado de métodos de dispersión, no pueden utilizarse para obtener sistemas dispersos con un tamaño de partícula de -100 nm. Estos sistemas se obtienen mediante métodos de condensación.

Los métodos de condensación se basan en el proceso de formación de una fase dispersa a partir de sustancias en estado molecular o iónico. Un requisito necesario para este método es la creación de una solución sobresaturada a partir de la cual se debe obtener un sistema coloidal. Esto se puede lograr bajo ciertas condiciones físicas o químicas.

Métodos físicos de condensación:

1) enfriar vapores de líquidos o sólidos durante la expansión adiabática o mezclarlos con un gran volumen de aire;

2) eliminación gradual (evaporación) del disolvente de la solución o sustitución por otro disolvente en el que la sustancia dispersada sea menos soluble.

Así, la condensación física se refiere a la condensación de vapor de agua en la superficie de partículas sólidas o líquidas, iones o moléculas cargadas en el aire (niebla, smog).

El reemplazo de solvente da como resultado la formación de un sol cuando se agrega otro líquido a la solución original, que se mezcla bien con el solvente original pero es un mal solvente para el soluto.

Los métodos de condensación química se basan en la realización de diversas reacciones, como resultado de las cuales se precipita una sustancia no disuelta de una solución sobresaturada.

La condensación química puede basarse no solo en reacciones de intercambio, sino también en reacciones redox, hidrólisis, etc.

Los sistemas dispersos también se pueden obtener mediante peptización, que consiste en convertir sedimentos, cuyas partículas ya tienen tamaños coloidales, en una “solución” coloidal. Se distinguen los siguientes tipos de peptización: peptización por lavado del sedimento; peptización con tensioactivos; peptización química.

Por ejemplo, un precipitado de hidróxido de hierro recién preparado y lavado rápidamente se convierte en una solución coloidal de color marrón rojizo al agregar una pequeña cantidad de solución de FeCl 3 (peptización por adsorción) o HCl (disolución).

El mecanismo de formación de partículas coloidales mediante el método de peptización se ha estudiado bastante: la interacción química de las partículas en la superficie se produce según el siguiente esquema:

Siguiente unidad Adsorbe iones Fe +3 o FeO +, los siguientes se forman como resultado de la hidrólisis de FeCl 3 y el núcleo de la micela recibe una carga positiva. La fórmula micelar se puede escribir como:

Desde un punto de vista termodinámico, el método más ventajoso es la dispersión.

1) El coeficiente de difusión de una partícula esférica se calcula mediante la ecuación de Einstein:

,

donde N А es el número de Avogadro, 6 10 23 moléculas/mol;

h – viscosidad del medio de dispersión, N s/m 2 (Pa s);

r – radio de la partícula, m;

R – constante universal de los gases, 8,314 J/mol K;

T – temperatura absoluta, K;

número 3.14.

2) Desplazamiento cuadrático medio:

  ·D·

donde   desplazamiento cuadrático medio (valor de desplazamiento promedio) de una partícula dispersa, m 2 ;

tiempo durante el cual la partícula se desplaza (duración de la difusión), s;

D  coeficiente de difusión, m 2. s-1.

  ·D·=2*12.24*10 -10 *5=12.24*10 -9 m 2

Respuesta:    12,24*10 -9 m 2 .

74. Surfactantes. Describir las causas y el mecanismo de manifestación de su actividad superficial.

En concentraciones bajas, los tensioactivos forman verdaderas soluciones, es decir. las partículas se dispersan y se reducen a moléculas individuales (o iones). A medida que aumenta la concentración aparecen micelas. en soluciones acuosas, las partes orgánicas de las moléculas en las micelas se combinan en un núcleo de hidrocarburo líquido y los grupos polares hidratados están en agua, mientras que el área total de contacto de las partes hidrófobas de las moléculas con el agua es marcada reducido. Debido a la hidrofilicidad de los grupos polares que rodean la micela, la tensión superficial (interfacial) en la interfaz núcleo-agua se reduce a valores que aseguran la estabilidad termodinámica de dichos agregados en comparación con una solución molecular y la macrofase del tensioactivo.

En concentraciones micelares bajas, se forman micelas esféricas (micelas de Hartley) con un núcleo apolar líquido.

La actividad superficial está relacionada con la composición química de la sustancia. Como regla general, aumenta al disminuir la polaridad del tensioactivo (para soluciones acuosas).

Según Langmuir, durante la adsorción, el grupo polar, que tiene una gran afinidad por la fase polar, es absorbido por el agua y el radical hidrocarbonado apolar es expulsado. la disminución resultante de la energía de Gibbs limita el tamaño de la capa superficial a una molécula de espesor. En este caso se forma la denominada capa monomolecular.

Dependiendo de su estructura, las moléculas de tensioactivo se dividen en no iónicas, formadas a base de ésteres, incluidos grupos etoxi, e iónicas, a base de ácidos y bases orgánicos.

Los tensioactivos iónicos se disocian en solución para formar iones tensioactivos, por ejemplo:

Si durante la disociación se forman aniones tensioactivos, los tensioactivos se denominan aniónicos (sales de ácidos grasos, jabones). Si durante la disociación se forman cationes tensioactivos, los tensioactivos se denominan catiónicos (sales de aminas primarias, secundarias y terciarias).

Existen tensioactivos que, dependiendo del pH de la solución, pueden ser catiónicos o aninoactivos (proteínas, aminoácidos).

La peculiaridad de las moléculas de tensioactivo es que tienen una alta actividad superficial hacia el agua, lo que refleja la fuerte dependencia de la tensión superficial de una solución acuosa de tensioactivo de su concentración.

A bajas concentraciones de tensioactivo, la adsorción es proporcional a la concentración.

La actividad superficial está relacionada con la composición química de la sustancia. Como regla general, aumenta al disminuir la polaridad del tensioactivo (para soluciones acuosas). Por ejemplo, el valor de actividad de los ácidos carboxílicos es mayor que el de sus sales.

Al estudiar series homólogas, se encontró una clara dependencia de la actividad de la longitud del radical hidrocarbonado.

Basándose en una gran cantidad de material experimental a finales del siglo XIX, Duclos y Traube formularon una regla: la actividad superficial en una serie de homólogos aumenta de 3 a 3,5 veces con un aumento en la cadena de hidrocarburos en un grupo CH 2.

A medida que aumenta la concentración, la adsorción en la superficie del líquido primero aumenta bruscamente y luego se acerca a un cierto límite, llamado adsorción límite.

Basándose en este hecho y en una gran cantidad de estudios, Langmuir propuso la idea de la orientación de las moléculas en la capa superficial. Según Langmuir, durante la adsorción, un grupo polar, que tiene una alta afinidad por la fase polar, el agua, es absorbido por el agua y el radical hidrocarbonado no polar es expulsado. La disminución resultante de la energía de Gibbs limita el tamaño de la capa superficial a una molécula de espesor. En este caso se forma la denominada capa monomolecular.

Las películas monomoleculares sobre la superficie del agua pueden existir en tres estados: gaseoso, líquido y sólido. Las películas de superficie líquida y sólida también se denominan películas condensadas.

Si las fuerzas que actúan entre las moléculas en la película son relativamente pequeñas, entonces las moléculas de surfactante se distribuyen libremente sobre la superficie del agua, alejándose unas de otras tanto como sea posible, lo que determina la presión superficial que actúa en la dirección opuesta a la superficie. tensión, dicha película puede considerarse un gas bidimensional, ya que las moléculas de este gas no pueden desprenderse de la superficie del agua y sólo pueden moverse en dos dimensiones. Las sustancias que forman películas gaseosas bidimensionales sobre el agua incluyen, por ejemplo, ácidos grasos con un número de átomos de hidrocarburo de 12 a 20-22, alcoholes alifáticos y aminas con un peso molecular no muy alto.

Si las fuerzas tangenciales entre los radicales hidrocarbonados de las moléculas de surfactante en la película superficial son grandes, entonces las moléculas se pegan, formando grandes "islas" condensadas en las que se obstaculiza el movimiento térmico de las moléculas. En estas "islas" las moléculas suelen estar orientadas paralelas entre sí y perpendiculares a la superficie del agua. Sin embargo, cabe señalar que, por ejemplo, al aumentar la temperatura, las películas condensadas pueden convertirse en películas gaseosas.

Las películas condensadas suelen ser líquidas y las moléculas que contienen se mueven con bastante libertad. Si las fuerzas de interacción entre radicales son tan fuertes que las moléculas no pueden moverse, entonces las películas condensadas pueden considerarse sólidas. Estas películas forman ácidos carboxílicos con un número de átomos de carbono superior a 20-24.

La presencia de propiedades de estado sólido en las películas superficiales se puede verificar pulverizando polvo sobre la superficie. Si la película es sólida, cuando se sopla con cuidado el polvo permanece inmóvil; si la película es líquida, el polvo se mueve sobre la superficie.

Cabe señalar que, además de las películas gaseosas y condensadas, también existen las denominadas películas estiradas, que ocupan una posición intermedia.

Estas películas se pueden formar a partir de películas condensadas al aumentar la temperatura. Se cree que en las películas estiradas, los radicales hidrocarbonados de las moléculas de surfactante no están orientados en paralelo, sino que se entrelazan entre sí, quedando "planos" sobre el agua, lo que evita la propagación ilimitada de la película, mientras que los grupos polares se mueven con relativa libertad en la capa superficial.

La capacidad de las sustancias para formar determinadas películas de tensioactivos iónicos depende del pH de la solución. Los ácidos grasos superiores en soluciones ácidas y neutras (es decir, con grupos prácticamente no disociados) a una determinada temperatura dan películas estiradas en la interfaz con el aire. A la misma temperatura en un ambiente alcalino, se forman películas gaseosas en la superficie de la solución, lo que se debe a la repulsión de cargas similares de grupos vecinos que aparecieron como resultado de su disociación.

89. Escriba la fórmula para la estructura de una micela de sol formada como resultado de la interacción de las sustancias indicadas (un exceso de una, luego otra sustancia): CDCl 2 + N / A 2 S; FeCl 3 + NaOH. Nombra los componentes que constituyen una micela.

1) CdCl 2 + Na 2 S

El exceso de CdCl 2 da una micela:

[ (CdCl 2) Cd 2+ Cl – ] + x Cl –

germen: (CdCl 2)

núcleo: [ (CdCl 2) Cd 2+

gránulo: [ (CdCl 2) Cd 2+ Cl – ] +

El exceso de Na 2 S forma una micela:

–xNa+

germen: (NaCl)

núcleo: (NaCl)2Cl -

gránulo: [ (CdCl 2) Cd 2+ Cl – ] +

2) FeCl3 + NaOH

El exceso de FeCl 3 da una micela:

[ (FeCl 3) Fe 3+ 2Cl – ] + x Cl –

germen: (FeCl 3)

núcleo: (FeCl 3) Fe 3+

gránulo: [ (FeCl 3) Fe 3+ 2Cl – ] +

El exceso de NaOH forma una micela:

–xNa+

germen: (NaCl)

núcleo: 3 (NaCl) 3 Cl –

gránulo: –

94. Protección de partículas coloidales mediante DIU. Mecanismo de acción protectora. Proteínas, carbohidratos, pectinas como protección coloidal.

Protección coloidal: estabilización de un sistema disperso mediante la formación de una capa protectora de adsorción alrededor de las partículas de la fase dispersa. Las proteínas, pectinas y carbohidratos actúan como estabilizadores de sistemas dispersos, protegiéndolos de una mayor coagulación o sedimentación.

110. Espumas, condiciones de su formación y propiedades. El papel de la espumación en los alimentos y ejemplos del uso de espumas.

Las espumas son sistemas dispersos altamente concentrados (fracción volumétrica de gas superior al 60-80%), en los que la fase dispersa es gas y el medio de dispersión es líquido o sólido (hormigón celular, yeso celular, polímeros espumados, etc.). Las espumas son sistemas gruesos, cuyo tamaño de burbujas es de 0,01 cm a 0,1 cm o más. Muy a menudo, las espumas con un medio de dispersión líquido se obtienen dispersando gas en un líquido en presencia de un estabilizador, que en este caso se denomina agente espumante.

Los productos alimenticios que son espumas incluyen espumas como la crema batida en globos; los batidos también se preparan batiendo y inicialmente sus componentes forman espuma. Con la ayuda de la espuma en la industria alimentaria, se extraen valiosas impurezas de las soluciones, lo que resulta especialmente eficaz en las espumas secas. Pero en la producción de azúcar, la espuma interfiere con el curso normal de los procesos y en este caso se lleva a cabo la desespumante.

LITERATURA

Akhmetov B.V. Problemas y ejercicios de química física y coloidal. – L.: Química, 1989.

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