Физико-химические основы дисперсных систем и поверхностных явлений

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Поверхностная энергия Гиббса и поверхностное натяжение. Сорбция. Абсорбция. Адсорбция.

Ориентация молекул ПАВ в поверхностном слое. На границе раздела фаз молекулы ПАВ ориентированы полярной головой в сторону полярной фазы, неполярным хвостом в сторону неполярной фазы.

При достижении максимального значения адсорбции молекулы ПАВ строго ориентированы и образуют плотный мономолекулярный слой (частокол Лэнгмюра). Это позволяет объяснить существование предельного значения адсорбции Гmax. Зная площадь поверхности и максимальную адсорбцию Гmax (число молей ПАВ на 1 м2), можно рассчитать размер молекулы.

S = – площадь поперечного сечения молекулы ПАВ

Факторы, влияющие на адсорбцию веществ - природа адсорбента, адсорбата и растворителя; на неполярном адсорбенте лучше адсорбируется неполярное вещество из полярного растворителя, а на полярном - полярное вещество из неполярного растворителя; чем лучше растворяется в данном растворителе адсорбат, тем хуже он из него адсорбируется; если растворимость вещества увеличивается с повышением температуры, то величина молекулярной адсорбции уменьшается. Если растворимость вещества уменьшается с повышением температуры, то величина адсорбции увеличивается с повышением температуры; адсорбция прямо пропорциональна удельной поверхности адсорбента; адсорбция зависит от концентрации адсорбата в растворе и описывается уравнением Фрейндлиха и Лэнгмюра.

Уравнение Фрейндлиха:

где K - константа, численно равная адсорбции при равновесной концентрации, равной единице; n - константа, определяющая кривизну изотермы адсорбции, ее значение колеблется в пределах от 0,1 до 0,6.

Уравнение Фрейндлиха применимо при средних значениях равновесных концентраций. Для нахождения констант его логарифмированием приводят к уравнению прямой: lgKф + nlgc;

Уравнение Лэнгмюра:

где Г - адсорбция, моль/г; Г∞ - предельная адсорбция: количество адсорбата, покрывающего поверхность адсорбента плотным монослоем. Характеризует адсорбционную способность адсорбента; α - константа адсорбционного равновесия, отражает способность адсорбата адсорбироваться; равна отношению констант скоростей десорбции и адсорбции; с - концентрация вещества в растворе, моль/л.

Адсорбцию характеризуют количеством молей или массой вещества, накапливающегося на границе раздела фаз в расчете на единицу массы адсорбента (моль/г) или на единице площади поверхности раздела фаз (моль/см2 или г/см2).

Ионообменная адсорбция - это процесс, при котором твердый адсорбент обменивает свои ионы на ионы того же знака из жидкого раствора.Такой обменный ионный процесс аналогичен обменным химическим реакциям, но только протекает на поверхности твердой фазы.

Ионообменная адсорбция имеет следующие особенности:

специфична, т. е. к обмену способны только определенные ионы;

не всегда обратима;

протекает более медленно, чем молекулярная адсорбция;

может приводить к изменению рН среды.

Вещества, проявляющие способность к ионному обмену, называются ионитами. В зависимости от того, какой вид ионов участвует в обмене, иониты подразделяются на катиониты и аниониты. Катиониты способны обменивать катионы, в т. ч. ион Н+, аниониты – анионы, в т. ч. ион ОН–. Существуют также амфолиты, которые в зависимости от условий способны проявлять как катионообменные, так и анионообменные свойства.

Иониты имеют структуру в виде каркаса, «сшитого», обычно, ковалентными связями. Каркас имеет положительный или отрицательный заряд, скомпенсированный противоположным зарядом подвижных ионов (противоионов), которые могут легко заменяться на другие ионы с зарядом того же знака. Каркас выступает в роли полииона и обусловливает нерастворимость ионита в растворителях.

Различают природные и синтетические иониты. Природные: алюмосиликатные материалы – гидрослюда, цеолиты и т.д. Синтетические: ионообменные смолы, сульфитированные угли, ионообменные целлюлозы.

Ионный обмен широко применяется в различных отраслях промышленности. Иониты применяют для очистки сточных вод, умягчения и обессоливания воды, при производстве сахара, молока (для изменения его солевого состава), вина (для предотвращения помутнения и понижения кислотности).

Адсорбцию подразделяют:

а) на физическую – это адсорбция, вызванная вандерваальсовыми силами взаимодействия (невысокий тепловой эффект). При физической адсорбции между адсорбентом и адсорбатом происходит только межмолекулярное взаимодействие, т.е. сцепление достаточно непрочное, и со временем начинается обратный процесс − десорбции;

б) хемосорбцию – это адсорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием адсорбента с поглощаемым веществом (возникают химические связи, значительный тепловой эффект).

При химической адсорбции (хемосорбции) между адсорбентом и адсорбатом возникает химическое взаимодействие, в результате чего между ними образуется третье вещество (рисунок 4):

4Al + 3O2 → 2Al2O3

.Рисунок 4 – Хемосорбция

Химическая сорбция намного прочнее физической. Ещё одно отличие между физической и химической сорбцией заключается в том, что при повышении температуры физическая адсорбция уменьшается, а химическая увеличивается. В чистом виде физическая и химическая адсорбция встречаются редко, чаще всего адсорбция включает элементы их обеих.

Адсорбция протекает самопроизвольно − энергия Гиббса при адсорбции имеет отрицательное значение: Gадс<0. Тепловой эффект имеет отрицательное значение Надс<0. В то же время в процессе адсорбции происходит упорядочение адсорбированных частиц: Sадс<0.

При физической адсорбции с увеличением температуры энергия Гиббса системы возрастает и при некоторой Тр наступает равновесие: адсорбция

A Aадс

десорбция

При повышении температуры равновесие сдвигается в сторону десорбции. Таким образом, вещество можно адсорбировать при невысокой температуре и десорбировать при более высокой температуре.

Поверхностно-активные (ПАВ) и поверхностно-неактивные вещества. Изменение поверхностной активности в гомологических рядах (правило Траубе).

Дисперсные системы и их классификация по: степени дисперсности; агрегатному состоянию фаз; силе межмолекулярного взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой.

Дисперсные системы, рассматриваемые в коллоидной химии, гетерогенны, поэтому состоят как минимум из двух фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсионной средой. Другая фаза раздроблена и распределена в первой; её называют дисперсной фазой.

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на определении агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды. Сочетания трёх агрегатных состояний (твёрдое, жидкое и газообразное) позволяют выделить девять типов дисперсных систем (табл.1). Для краткости их условно обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель – дисперсионной среды, например обозначение Т/Ж показывает, что система состоит из твёрдой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды (твёрдое в жидкости).

Таблица 1. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Дисперсионная среда

Дисперсная фаза

Условное обозначение системы

Название системы и примеры

Твёрдая

Твёрдая

Т/Т

Твёрдые гетерогенные системы: минералы, сплавы, бетон, композиционные материалы

Жидкая

Ж/Т

Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, адсорбентах; влажные почвы, грунты

Газообразная

Г/Т

Пористые тела: адсорбенты и катализаторы

Жидкая

Твёрдая

Т/Ж

Суспензии и золи: промышленные суспензии, пульпы, взвеси, пасты, илы

Жидкая

Ж/Ж

Эмульсии: природная нефть, кремы, молоко

Газообразная

Г/Ж

Газовые эмульсии и пены

Газообразная

Твёрдая

Т/Г

Аэрозоли: пыли, дымы.

Порошки

Жидкая

Ж/Г

Аэрозоли: туманы, в том числе промышленные облака

Газообразная

Г/Г

Коллоидная система не образуется

Одно из девяти сочетаний Г/Г не может соответствовать коллоидной системе, так как газы в обычных условиях при любых концентрациях дают истинные растворы (при очень высоких давлениях некоторые газовые системы образуют гетерогенные системы). Однако газовые смеси могут проявлять отдельные свойства гетерогенно-дисперсных систем благодаря непрерывным флуктуациям плотности и концентрации, вызывающим неоднородности в системе. Рассматривая жидкие растворы с молекулярной степенью дисперсности, к гетерогенно-дисперсным системам можно отнести растворы полимеров. Размеры макромолекул могут превышать размеры обычных коллоидных частиц. Эти системы обладают многими свойствами, характерными для типичных гетерогенно-дисперсных систем. Они как бы связывают в единое целое все дисперсные системы и указывают на непрерывность перехода от истинных молекулярных растворов к гетерогенным дисперсным системам.

Все дисперсные системы также можно разделить на два класса по кинетическим свойствам дисперсной фазы: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связнодисперсные системы – системы с твердообразной дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно перемещаться.

И еще эти системы классифицируют по степени дисперсности. Свободнодисперсные системы подразделяют на ультрамикрогетерогенные, размер частиц которых лежит в пределах от 10-9 до 10-7 м (от 1 до 100 нм), микрогетерогенные с размером частиц от 10-7 до 10-5 м (от 0,1 до 10 мкм) и грубодисперсные с частицами, размеры которых превышают 10-5 м.

Ультрамикрогетерогенные системы часто называют истинно коллоидными или просто коллоидными, так как раньше только такие системы считались объектом коллоидной химии. Такие частицы обладают определенным агрегатным состоянием.

С ростом числа молекул в частице она постепенно приобретает все свойства фазы. В современной литературе малоконцентрированные свободнодисперсные ультрамикрогетерогенные системы чаще называют золями (нем. Sole от лат. solutio – раствор). Среди них различают аэрозоли – золи с газообразной дисперсионной средой; лиозоли – золи с жидкой дисперсионной средой (греч. lios – жидкость). В зависимости от природы среды лиозоли называют гидрозолями (вода), органозолями (органическая среда) или, более конкретно, алкозолями (спирты) и т. д.

Cвязнодисперсные (структурированные) системы с жидкой дисперсионной средой называют гелями.

К микрогетерогенным системам относят суспензии (Т/Ж), эмульсии (Ж/Ж), пены (Г/Ж), порошки (Т/Г). Эти системы имеют большое значение в промышленности. Из грубодисперсных систем наиболее распространены системы Т/Г (песок, щебень и др.).

И, наконец, дисперсные системы классифицируют по интенсивности межмолекулярных взаимодействий на границе раздела фаз.

Различают лиофильные коллоидные системы, которые характеризуются высокой степенью родственности дисперсной фазы и дисперсионной среды и их сильным взаимодействием, чему соответствуют очень низкие значения межфазного натяжения.

При высоких значениях межфазного натяжения образуются термодинамически неравновесные (неустойчивые) лиофобные дисперсные системы. Это обусловлено существенным различием граничащих фаз по составу, свойствам и их слабым взаимодействием.

По характеру взаимодействия между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды системы делят на лиофобные коллоиды и лиофильные коллоиды.

К лиофобным коллоидам относятся системы:

- со слабым взаимодействием (или его отсутствием) частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой;

- с низкой смачиваемостью частиц вещества дисперсионной средой;

- несамопроизвольностью диспергирования;

- устойчивостью лишь в присутствии стабилизатора;

- с особой структурой частиц, составляющих дисперсную фазу - мицеллами.

К лиофильным коллоидам относятся системы:

-образующиеся самопроизвольно;

-термодинамически устойчивые;

- характеризующиеся сильным межфазным взаимодействием частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой.

Получение лиофобных коллоидных растворов Образование и строение мицелл.

Так как по размерам частиц коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами, поэтому их получают либо дроблением крупных частиц (диспергированием), либо ассоциацией (объединением) молекул или ионов в агрегаты (конденсацией). При получении коллоидных систем необходимо соблюдать условия:

- вещество дисперсной фазы должно быть нерастворимо в дисперсионной

среде;

- малая концентрация частиц дисперсной фазы;

- наличие стабилизатора.

К диспергационным методам относят:

- механическое диспергирование (растирание, дробление) при котором используются:

- шаровые мельницы (для измельчения тонкодисперсных порошков) и кол-

лоидные мельницы позволяющие получать наибольшую степень дисперс-

ности твердого вещества (коллоидную степень дисперсности);

- ультразвуковое диспергирование, основанное на прохождении ультразву-

ковой волны (частота 105 – 106 Гц) через грубосперсную систему и приводящие к кавитации.

Кавитация (cavitas – лат. - пустота) – образование в жидкости пузырьков с последующим их захлопыванием, приводящее к разрушению (измельчению) грубодисперсной системы.

Ультрозвуковым диспергированием получают коллоидные растворы смол, красителей, серы, крахмала, лекарственных веществ и др. Преимущество метода в возможности получения стерильных лекарственных форм.

- самопроизвольное диспергирование происходит при достаточно сильном взаимодействии между веществом дисперсной фазы и средой, что приво-дит к образованию лиофильных коллоидных систем (золи парафина в угле-

водородах, водные растворы углеводородов с большим содержанием ПАВ (до 40%).

К конденсационным методам относят:

- физическую конденсацию:

а) конденсация из пара (образование облаков, тумана)

б) метод замены растворителя, в котором образование новой фазы происходит в результате замены «хорошего» растворителя на «плохой», в котором вещество не растворимо. Необходимым условием этого метода является полная смешиваемость «плохого» и «хорошего» растворителя.

- химическую конденсацию, основанную на проведении в растворе химических реакций, сопровождающихся образованием нерастворимых или труднорастворимых веществ. При этом стабилизатором обычно служит электролит, взятый в избытке, или образующийся в результате побочной химической реакции.

К комбинированным методам, сочетающим в себе и диспергирование и конденсацию относят:

- электрические методы, применяемые для получения золей металлов (золота, серебра, платины и др.):

а) дуговой метод (метод Бредига), основан на испарении металла электрода в электрической дуге (постоянный ток силой 5-10А) в водной среде в присутствии стабилизатора с последующей конденсацией паров в коллоидные частицы;

б) искровой метод (метод Сведберга) основан на использовании переменного тока высокой частоты путем погружения электродов в металлический порошок, лежащий в органической дисперсионной среде. Применяется для получения органозолей металлов.

- пептизация – распад агрегатов частиц в дисперсных системах с образованием коллоидных растворов. Используется в случае перевода свежеприготовленных рыхлых (аморфных) осадков в золь.

Различают несколько видов пептизации:

а) адсорбционная пептизация, (непосредственная) происходящая при физической адсорбции электролита, один из ионов которого способен достраивать кристаллическую решетку дисперсной фазы;

б) пептизация под действием ПАВ, способных адсорбироваться на частицах, придавать им заряд или образовывать сольватную оболочку, ослабляющую связь между частицами;

в) пептизация при отмывании осадка происходит при удалении из него электролита, вызывающего коагуляцию (объединение частиц осадка);

г) химическая (диссолюционная, посредственная) пептизация происходит с образованием золя при взаимодействии реагента с осадком и с образованием электролита (стабилизатора, пептизатора) придающего устойчивость золю;

д) пептизация при воздействии ультразвуковой волны, происходящая с высокой скоростью диспергирования.

Строение мицеллы лиофобных золей.

Элементарная коллоидная частица – мицелла – содержит нерастворимое в данной дисперсионной среде ядро, состоящее из диспергированного твердого вещества (агрегата) с адсорбированными ионами (потенциалопределяющими ионами – ПОИ). По правилу Панета – Фаянса «на поверхности твердого вещества адсорбируются ионы, способные достраивать его кристаллическую решетку, т. е. ионы имеющие общую атомную группировку с агрегатом». Эти ионы и придают поверхности ядра электрический заряд. После возникновения заряда ядро притягивает из раствора ионы с противоположным знаком (противоионы), образуется двойной электрический слой. Часть противоионов прочно притягивается к ядру, образуя адсорбционный слой противоионов. Ядро вместе с адсорбционным слоем называется частицей или гранулой. Гранула характеризуется двойным электрическим слоем, который образуется из потенциалопределяющих ионов и противоионов. Противоионы, которые находятся вне гранулы, образуют диффузный слой противоионов.

Схема строения мицеллы.

Пример: золь иодида серебра, полученного по реакции взаимодействия АgNO3 и KI при избытке KI.

АgNO3 + KI → АgI¯ + К NO3

1 – агрегат; 2 – потенциалопределяющие ионы; 3 – ядро; 4 – противоины адсорбционного слоя; 5 – противоионы диффузного слоя; 6 – гранула.

Свойства лиофобных коллоидных растворов: молекулярно-кинетические, оптические, диализ, электродиализ.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Ионообменная адсорбция Дисперсные системы Свойства лиофобных коллоидных растворов

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Язык телодвижений

"Язык телодвижений (как читать мысли по жестам)" Совокупность Жестов. Жесты в Различных Обстоятельствах Повседневного Общения

Спеціалізовані спортивні споруди і обладнання для легкої атлетики

Класифікація і вимоги до легкоатлетичних споруд. Бігові доріжки: розміри, розмітка, нормативні показники. Покриття бігових доріжок. Місця для легкоатлетичних стрибків. Місця для легкоатлетичних метань. Спортивне ядро, спортивна арена.

Реферат по физической культурена тему: Спортивно–оздоровительный туризм

Спортивно-оздоровительный туризм (далее СОТ) самостоятельная и социально-ориентированная сфера, образ жизни значительной прослойки общества; эффективное средство духовного и физического развития личности, воспитания бережного отношения к природе, взаимопонимания и взаимоуважения между народами и нациями

Неотложная эндокринология. Задачи с ответами

Ответы на задачи по неотложной эндокринологии. Поставьте предварительный диагноз. Составьте план обследования. Укажите основные принципы лечения. Предварительный диагноз. План обследования и лечение.

Плееродети. Кто такие плееродети?

Материал к презентации плееродети. Причины появления плееродетей? Последствия от использования наушников. Правило поведения родителей с ребенком – любителем плеера.

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok