Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Рябухин Ю.И., Шавель И.И., Поморцева Н.П.



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

" АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

КАФЕДРА " ОБЩАЯ, НЕОРГАНИЧЕСКАЯ И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ"

 

 

 

 

Рябухин Ю.И., Шавель И.И., Поморцева Н.П.

 

 

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

(Коллоидная химия – нанохимия)

Учебно-методическое пособие

По курсу «Химия»

Под редакцией профессора

Ю.И. Рябухина

 

 

Астрахань


УДК 541.18 (07)

ББК 24.5 я 73

Р98

 

Поверхностные явления и дисперсные системы (Коллоидная химия – нанохимия): учебно-методическое пособие / Ю.И.Рябухин, И.И. Шавель, Н.П. Поморцева / Под ред. проф. Ю.И. Рябухина. – Астрахань: Астрахан. гос. техн. ун-т., 2016. – 60 с.

 

Пособие составлено в соответствии с рекомендациями федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования для студентов нехимических направлений и специальностей.

 

Пособие состоит из основ теории, учебных заданий для закрепления знаний – тестовых упражнений и лабораторных работ.

 

Библиогр.: 13 назв., 36 ил., 2 табл.

 

Печатается по решению кафедры " Общая, неорганическая и аналитическая химия" (протокол № 2 от 11 февраля 2016 г.)

 

Рецензент: доктор химических наук, профессор кафедры " Органическая, биологическая и физколлоидная химия" Шинкарь Е.В.

 

 

© Рябухин Ю.И., Шавель И.И.,

Поморцева Н.П., 2016

 

Вопросы коллоидной химии должно считать

передовыми и могущими иметь значение во всей

физике и химии.

Д.И. Менделеев (1871 г.)

ВВЕДЕНИЕ

Поверхностные явления и дисперсные сис­темы – это современное название дисциплины, из­вестной как коллоидная химия[1]. Рождение коллоидной химии как самостоятельной области науки принято датировать 60-тыми годами XIX века с появлением работ английского химика Т. Грэма, который ввёл сам термин " коллоид".

 

Томас Грэм (1805-1869) – шотландский химик, известный как один из основателей коллоидной химии, а также пионерскими работами в области диализа и диффузии газов. Член Лондонского королевского общества. В 1836 году Лондонское королевское общество наградило учёного одной из своих высших наград – Королевской медалью; в 1850 году Грэм был удостоен этой награды во второй раз. В 1841 году Грэм стал одним из основателей Лондонского химического общества и его первым президентом (1841-1843 гг., 1845-1847 гг.). С 1866 года – иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук и Шведской королевской академии наук.

Термин " коллоидная химия" происходит от греческого слова коllа – клей и является хотя и традиционным, но несколько устаревшим, не соответствующим современному содержанию дисциплины. Ранее это была чисто описательная наука о получении и свойствах особого – коллоидного – состояния вещества. Далее, благодаря накоплению огромного практического и теоретического материала и в силу большой важности дисперсных систем в науке и технике, содержание коллоидной химии изменилось. В настоящее время применяются оба названия дисциплины.

Современное определение этой дисциплины принадлежит российскому учёному П.А. Ребиндеру: коллоидная химия – это физическая химия поверхностных явлений и дисперсных сис­тем, или просто: " поверхностные явления и дисперсные системы".

Рé биндерПётр Александрович (1898-1972) – советский физико-химик, академик АН СССР. В начале 1930-х годов за исследования в области коллоидной химии был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР. В 1935 г. возглавил отдел дисперсных систем Коллоидоэлектрохимического института (в дальнейшем Институт физической химии) АН СССР; с 1942 г. в течение 30 лет заведовал кафедрой коллоидной химии МГУ им. М.В. Ломоносова. Первые исследования Ребиндера были посвящены физико-химическим основам поверхностных явлений, адсорбции из растворов, смачиванию, стабилизации дисперсных систем, моющему действию и другим вопросам коллоидной химии.
В 1928 г. он открыл эффект адсорбционного понижения твёрдых тел. При дальнейшем изучении этого эффекта обнаружилось, что механические свойства, и прежде всего прочность твёрдых тел, зависят от окружающей среды. Ребиндер исследовал одну из центральных проблем коллоидной химии – устойчивость дисперсных систем: суспензий и эмульсий, ввёл количественный критерий – термодинамическую устойчивость дисперсных систем; изучил механизм и кинетику формирования структур различной природы в дисперсных системах. Его работы по коллоидной химии помогли решить многие важные проблемы производства. Он разработал способы упрочения грунтов, предложил методы улучшения качества глинистых растворов, применяемых при бурении скважин на нефть, указал путь увеличения нефтедобычи при заводнении нефтеносных пластов, разработал основы теории твердения цементов и внёс усовершенствования в другие технологические процессы. Под руководством Ребиндера была выполнена гигантская работа в новой, основанной им области – физико-химической механике.   Учение о дисперсных системах, способах их получения и свойствах (раздел 2) во многом определяется поверхностными явлениями, протекающими на границе раздела фаз (раздел 1). В то же время теория поверхностных явлений становится всеобъемлющей лишь в случае приложения к реальным дисперсным системам.  

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Поверхностная энергия

Поверхностные явления – это совокупность явлений, вызываемых избытком свободной энергии в пограничном слое – поверхностной энергии, повышенной активностью и ориентацией молекул поверхностного слоя, особенностями его структуры и состава. Поверхностные явления определяются также тем, что физические и химические взаимодействия тел происходят, прежде всего, в поверхностных слоях.

 

" Свободная энергия" (изохорно-изотермический – энергия Гельмгольца – или изобарно-изотермический – энергия Гиббса – термодинамический потенциал) определяется как разность между внутренней энергией термодинамической системы U и произведением её энтропии S на температуру Т, обозначается F или G: F = U – TS (для V, Т = const) или G = H – TS (для p, T = const). Единица измерения – Дж. Величину, определяемую произведением TS, иногда называют связанной энергией.

 

Поверхностный (пограничный) слой, возникающий на границе различных фаз дисперсной системы, согласно Дж. У. Гиббсу, представляет собой промежуточную фазу[2] толщиной в несколько молекулярных (атомных) диаметров. Иногда поверхностный слой имеет толщину соразмерную диаметру молекулы, и его называют мономолекулярным. В поверхностном слое свойства сильно различаются от точки к точке.

Поверхности раздела фаз в зависимости от их агрегатного состояния делят на два типа:

– подвижные поверхности раздела между жидкостью и газом (Ж – Г) и двумя несмешивающимися жидкостями (Ж – Ж);

– неподвижные поверхности раздела между твёрдым телом и газом (Т – Г), твёрдым телом и жидкостью (Т – Ж) и двумя твёрдыми телами (Т – Т).

Площадь поверхности раздела при неизменной массе возрастает с уменьшением размеров частей, на которые делится термодинамическая система[3] (далее просто " система" ) (рис. 1).

 

Рис. 1. Изменение удельной поверхности и поверхностной энергия твёрдого материала

 

Например, площадь поверхности твёрдого тела, имеющего форму куба объёмом 1 м3, равна 6 м2. При разделении куба на кубики (рис. 2) их суммарный объём и масса остаются теми же самыми, тогда как суммарная площадь поверхности возрастает. Площадь кубика S = (6/100) м2, общее число их 1000, тогда общая площадь кубиков S = 60 м2. При ребре кубика 10–9 м число их равно 1027, а суммарная площадь поверхности – 6·109 м2.

 

 

 

 

Рис. 2. Изменение суммарной площади поверхности куба при измельчении

 

Вещество в конденсированном (жидком и твёрдом) состоянии обладает поверхностной энергией, обусловленной нескомпенсированностью силовых полей частиц (атомов, молекул, ионов) на поверхности раздела фаз. Частицы, находящиеся на поверхности раздела фаз, неравноценны по своему положению частицам, находящимся в глубине фазы (рис. 3, 4). Молекулы, находящиеся внутри жидкости или твёрдой фазы, окружены со всех сторон такими же частицами. На них со всех сторон действуют одинаковые силы, и равнодействующая этих сил равна нулю. У частиц, находящихся на разделе фаз, молекулярные взаимодействия неуравновешенны. В результате этого возникает поверхностный слой с избыточным запасом поверхностной энергии.

 

Рис. 3. Поверхность твёрдого тела (угля)

Поверхностная энергия – это избыток энергии поверхностного слоя, на границе раздела фаз (по сравнению с энергией вещества внутри тела), обусловленной различием межмолекулярных взаимодействий[4] в обеих фазах.

 

Рис. 4. Действие межмолекулярных сил внутри жидкости и на её поверхности

 

Потенциальная энергия пропорциональна площади поверхности раздела фаз, поэтому она особенно велика у высокодисперсных систем и во многом определяет их свойства.

Термин поверхностная энергия применяют обычно для границы раздела твёрдое тело газ (или пар) (Т – Г); если граничат твёрдое тело и жидкость (Т – Ж) или две несмешивающиеся жидкости (Ж – Ж), то применяют термин межфазная энергия.

Поверхностная энергия может превращаться в другие виды энергии, что приводит к возникновению поверхностных явлений, таких как адгезия, когезия, адсорбция, капиллярный эффект, смачивание и др.

 

Адгезия (от лат. adhaesio – прилипание) – возникновение связи между поверхностными слоями двух разнородных фаз (твёрдых или жидких тел), приведённых в соприкосновение. Когезия (от лат. cohaesus – связанный, сцеплённый) – сцепление друг с другом частей одного и того же тела, обусловленное действием сил межмолекулярного взаимодействия, водородной и (или) химической связи между составляющими его молекулами (атомами, ионами). Капиллярное явление (или капиллярный эффект, от лат. capillaris – волосяной) – явление, вызываемое влиянием сил межмолекулярного взаимодействия на равновесие и движение свободной поверхности жидкости, поверхности раздела несмешивающихся жидкостей и границ жикостей с твёрдыми телами. Наиболее распространённое проявление капиллярных явлений – поднятие или опускание жидкости в узких трубках (капиллярах) и в пористых средах, обусловливающее, например, миграцию воды в почве. Смачивание – явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости. Выражается, в частности, в растекании жидкости по твёрдой поверхности, находящейся в контакте с газом (паром) или другой жидкостью.

 

Свойства системы находятся в зависимости от её удельной поверхности – величины, измеряемой суммарной площадью граничной поверхности фазы, отнесённой к её объёму:

Sуд.= S / V [м23 = м-1].

Удельная поверхность представляет собой суммарную поверхность всех частиц в единице объёма. Чем мельче частицы, тем больше удельная поверхность системы. Обычно Sуд. рассчитывают на единицу массы раздробленного вещества, вводя в формулу расчёта плотность ρ. Поскольку масса вещест­ва m = V ∙ ρ, то Sуд. = S / m = S / V ∙ ρ [м2/г].

 

  Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903) – американский физик, физикохимик, математик, механик, один из создателей векторного анализа, статистической физики, математической теории термодинамики, что во многом предопределило развитие современных точных наук и естествознания в целом. В 70-е годы XIX в. создал основы термодинамики избыточной адсорбции, называемой гиббсовской и обозначаемой символом Г. В 1901 г. Гиббс был удостоен высшей награды международного научного сообщества того времени – Медали Копли Лондонского королевского общества.
Его имя присвоено многим величинам и понятиям химической термодинамики (энергия Гиббса, правило фаз Гиббса, уравнения Гиббса – Гельмгольца, Гиббса – Дюгема, лемма Гиббса, треугольник Гиббса – Розебома). Образ Гиббса запечатлён в " Галерее славы великих американцев".

 

Удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела жидкостьгаз (пар) и твёрдое тело – жидкость тождественна поверхностному натяжению σ.

Обычно под поверхностной энергией понимается энергия Гиббса образования поверхности, которая равна произведению удельной свободной поверхностной энергии на площадь поверхности раздела фаз:

 

G = σ · S [Дж/м2 · м2 = Дж].

Чем выше энергия взаимодействия частиц, тем выше удельная свободная поверхностная энергия. С увеличением температуры эта энергия уменьшается.

Поверхностное натяжение – стремление вещества (жидкости или твёрдого тела) уменьшить избыток своей поверхностной энергии на границе раздела с газовой фазой (например, собственным паром) или с другой жидкостью или твёрдой фазой. Она численно равна работе, которая совершается при образовании единицы площади поверхности раздела фаз при постоянной температуре и измеряется в Дж/м2 или Н/м.

Поверхностное натяжение жидкости часто определяют как силу, действующую на единицу длины контура поверхности раздела фаз, и стремящуюся сократить эту поверхность до минимума. Благодаря поверхностному натяжению капля жидкости при отсутствии внешних воздействий принимает форму шара, так как сфера имеет минимальную площадь поверхности.

Поверхностное натяжение зависит от химической природы жидкости, уменьшается при увеличении температуры (до нуля при критической температуре). Величиной поверхностного натяжения обусловлены многие поверхностные явления, особенно в дисперсных системах. Снижение поверхностного натяжения достигается введением в жидкость поверхностно-активных веществ.

Для неассоциированных жидкостей вдали от критической температуры (температуры, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и паром, находящимися в равновесии) поверхностное натяжение линейно уменьшается с увеличением температуры:

 

σ = σ 0 – α (Т – Т0),

 

где σ и σ 0 – поверхностное натяжение при температурах T и Т0;

a ≈ 0, 1 мДж/(м2 · К) – температурный коэффициент поверхностного

натяжения.

 

При приближении к критической температуре (Ткр) различие свойств контактирующих фаз нивелируется, и при Т = Ткр поверхностное натяжение исчезает (σ = 0).

Поверхностные явления, возникающие при совместном действии молекулярных сил (поверхностного натяжения и смачивания, рис. 5) и внешних сил (в первую очередь силы тяжести) и вызывающие искривление жидких поверхностей раздела, называются капиллярными явлениями.

 

 

Рис. 5. Смачиваемость твёрдых тел жидкостью

 

Поверхностные явления влияют на термодинамическое равновесие фаз в случае весьма развитой поверхности их раздела. Скорости процессов тепло- и массообмена – растворение, испарение, конденсация, кристаллизация, гетерогенные химические процессы (например коррозия) определяются площадью и свойствами поверхности раздела и поэтому сильно зависят от молекулярной природы и строения этой поверхности (рис. 6).

а б

 

Рис. 6. Капиллярное поднятие(h1) или опускание (h2) жидкости

при смачивании (а) и несмачивании (б)

 

Поверхностные явления определяют процессы выветривания горных пород и почвообразования, испарения и конденсации влаги, многие процессы в живых организмах. Они лежат в основе многих технологических процессов (например, смазки, трения, износа, измельчения, крашения, смачивания, флотации[5]) и имеют большое значение в технологии строительных материалов, в металлургии и обработке металлов.

Адсорбция

Адсорбционные явления

Значительную группу поверхностных явлений составляют адсорбционные явления, при которых изменяется химический состав поверхностного слоя. Вследствие наличия поверхностной энергии на границе раздела фаз происходит накопление различных частиц.

Сорбция (от лат. sorbē о – поглощаю) представляет собой сложный физико-химический процесс, который можно рассматривать как сумму более простых процессов: адсорбции, абсорбции и капиллярной конденсации.

Адсорбция (от лат. ad – на, при) изменение (обычно – повышение) концентрации вещества на поверхности раздела фаз (поглощение на поверхности).

Адсорбция – процесс, приводящий к аномально высокой концентрации вещества (адсорбата) из газообразной или жидкой среды на поверхности её раздела с жидкостью или твёрдым телом (адсорбентом).

Адсорбция возможна на границах раздела фаз: твёрдое тело – газ, твёрдое тело – жидкость – газ, твёрдое тело – жидкость – твёрдое тело.

Адсорбция осуществляется под действием нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия в поверхностном слое адсорбента, что вызывает притяжение молекул адсорбата из поверхностной области; адсорбция приводит к уменьшению поверхностной энергии.

Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.

Адсорбция является разновидностью сорбции – поглощения одного вещества другим из окружающей среды. Если вещество поглощается всем объёмом другого вещества, то происходит абсорбция (от лат. absō rptiō – поглощение), если вещество концентрируется на поверхности, то имеет место адсорбция (рис. 7). Переход поглощаемого газа или пара в жидкое состояние в узких порах адсорбента называется капиллярной конденсацией.

 

 

Рис. 7. Распределение частиц между двумя фазами при абсорбции и адсорбции

Вещество, способное адсорбировать какое-либо вещество, а также тело, на поверхности которого происходит адсорбция, называют адсорбентом; вещество, которое адсорбируется, называют адсорбтивом или адсорбатом.

Адсорбенты характеризуются большой адсорбционной ёмкостью, то есть они представляют собой дисперсные тела с большой удельной поверхностью или с большим объёмом пор (пористые, губчатые, тонкоизмельчённые или высокодисперсные материалы). Химическая природа их поверхности обеспечивает эффективную адсорбцию определённых веществ в определённых условиях. Адсорбенты обладают химической и термической стойкостью, регенерируемостью и доступностью. Наибольшее распространение в качестве пористых адсорбентов получили активированные угли, гели некоторых оксидов (силикагели[6], алюмогели[7] и др.), цеолиты[8]; из непористых адсорбентов – технический углерод (сажа) и высокодисперсный диоксид кремния SiO2 (аэросил, " белая сажа" ).

Количественной мерой адсорбции является избыток адсорбированного вещества (Г – величина адсорбции Гиббса), который равен разности его концентраций в поверхностном слое с1 и в объёме адсорбента с2:

 

Г = с1с2.

 

Единица адсорбции – моль/м2 или моль/см2.

Адсорбция газа на твёрдом теле измеряется количеством газа, адсорбированным единицей массы этого тела (моль/кг или моль/г).

 

Интенсивность адсорбции растёт с увеличением концентрации (или в случае газа – давления) адсорбтива.

В зависимости от характера взаимодействия адсорбата с адсорбентом различают физическую и химичес­кую адсорбцию.

Физическая адсорбция происходит за счёт ван-дер-ваальсовых сил (сил межмолекулярного взаимодействия) и характеризуется относительно невысоким тепловым эффектом [ = – (8-25) кДж/моль] и обрати-мостью. При такой адсорбции молекулы могут образовывать не только мономолекулярный слой, но и адсорбироваться многослойно, а также мигрировать по поверхности.

Химическая адсорбция, или хемосорбция, происходящая за счёт образования химических связей между частицами адсорбата и адсорбента, протекает необратимо и с высоким тепловым эффектом [ > 80 кДж/моль]. Чем прочнее связь между частицами адсорбата и адсорбента, тем больше теплота адсорбции (Q).

Между физической и химической адсорбцией существуют промежуточные типы адсорбции, обусловленные, например, образованием водородных связей.

Химическая адсорбция может сопровождаться поверхностными химическими реакциями с образованием поверхностного слоя нового вещества. Например, образование накипи на поверхностях водонагревателей или металлических (серебряных, алюминиевых) зеркал на поверхности стекла при восстановлении ионов металлов из растворов их солей.

Термодинамика адсорбции

Адсорбция протекает самопроизвольно, и, следовательно, изменение энергии Гиббса системы имеет отрицательное значение:

 

Δ Gадс. < 0.

 

Тепловой эффект (изменение энтальпии) адсорбции также имеет отрицательное значение – это экзотермический процесс, и его интенсивность уменьшается с увеличением температуры.

 

∆ Надс. < 0; Q > 0.

 

Адсорбция часто протекает из газовой фазы на поверхность раздела газжидкость, газтвёрдое тело или из жидкой фазы на поверхность раздела жидкостьтвёрдое тело; при этом происходит упорядочение адсорбированных частиц, и энтропия системы уменьшается:

 

Δ Sадс. < 0.

Так как Δ G = Δ H – TΔ S, то при Δ Gадс. < 0 и ∆ Надс. < 0, |Δ H| > |TΔ S|.

Адсорбированные молекулы через некоторое время (время адсорбции) покидают поверхность адсорбента – десорбируются. Количество молекул, адсорбирующихся (десорбирующихся) в единицу времени на единице поверхности (с единицы поверхности), называется скоростью адсорбции (десорбции). При равенстве скоростей адсорбции и десорбции имеет место адсорбционное равновесие.

С ростом температуры время физической адсорбции и количество адсорбированных частиц уменьшается, в то время как скорость хемосорбции обычно возрастает.

Скорость адсорбции повышается с увеличением концентрации или парциального давления адсорбата.

С увеличением температуры энергия Гиббса системы возрастает, и при некоторой температуре достигает нуля |TΔ S| = |Δ H|. Следовательно, скорость адсорбции становится равной скорости десорбции – наступает динамическое равновесие:

Изотерма адсорбции

Зависимость адсорбции от равновесной концентрации адсорбата в жидкости (или в случае газов – равновесного парциального давления) при постоянной температуре называется изотермой адсорбции.

Теория изотермы мономолекулярной адсорбции, созданная И. Ленгмюром в 1914-18 гг., предполагает:

- адсорбция частиц адсорбата происходит только на определённых участках поверхности адсорбента, называемых адсорбционными центрами;

- адсорбционный центр удерживает только одну молекулу адсорбата; при высоких концентрациях (или давлениях в случае газов) на поверхности адсорбционных центров образуется мономолекулярный слой, соответствующий предельной адсорбции.

 

Ленгмюр Ирвинг (1881-1957) – американский физик и физикохимик, лауреат нобелевской премии (1932 г.) по химии за исследования поверхностных явлений (адсорбции, мономолекулярных слоёв и др.). Один из разработчиков метода формирования моно- и мультимолекулярных плёнок (метод Ленгмюра – Блоджетт). С 1985 г. издаётся журнал поверхностных явлений " Ленгмюр", названный в честь учёного.  

Для описания экспериментально наблюдаемой адсорбции предложено большое число уравнений, из которых наиболее общим является уравнение Ленгмюра:

Г = Г или Г = Г,

 

где Г – адсорбция при максимальном заполнении поверхности адсорбента

адсорбатом или ёмкость монослоя (моль/м2 или моль/кг);

ср – равновесная концентрация адсорбата (моль/л);

рр – равновесное давление адсорбата (Па);

bа – константа обмена, равная отношению констант скоростей адсорбции и десорбции.

 

Отношение Г/Г, обозначаемое символом Θ, называется относительной степенью заполнения поверхности адсорбента адсорбатом.

Следовательно, уравнение Ленгмюра можно записать следующим образом:

Θ = или Θ = .

 

Графически изотерма Ленгмюра имеет вид, представленный на рис. 8.

 

 

Рис. 8. Изотерма адсорбции на границе раздела твёрдое тело – раствор:

1 – область малых концентраций, величина адсорбции линейно растет с увеличением концентрации; 2 – область средних концентраций; 3 – область больших концентраций, вся поверхность адсорбента занята молекулами адсорбата

 

Изотерма Ленгмюра может служить для описания как физической адсорбции, так и хемосорбции, однако область её применения ограничена низкими степенями заполнения поверхности адсорбента.

При повышении концентрации (давления) адсорбата происходит заполнение второго, третьего и т.д. слоёв адсорбата, имеет место полимолекулярная адсорбция.

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Дисперсной [11]называют систему, состоящую из дисперсной фазы – совокупности раздробленных частиц (кристалликов, капель, пузырьков) и сплошной непрерывной дисперсионной среды, в которой во взвешенном состоянии находятся эти частицы.

Дисперсные системы характеризуются двумя признаками: гетерогенностью – это качественная их характеристика, и дисперсностью – количественная характеристика.

Гетерогенность указывает на наличие межфазной поверхности, на различие в природе (полярности) и структуре фаз. Количественная характеристика гетерогенности – величина поверхностного натяжения (σ ). Она определяет степень гетерогенности, разность перехода от одной фазы к другой.

Дисперсность – степень раздробления (диспергирования) вещества на частицы. Степень дисперсности вещества – величина, обратная линейному размеру частиц:

D = 1/l -1],

где l – основной размер частицы.

Количественной мерой дисперсности частицслужит их удельная поверхность Sуд – отношение суммарной поверхности раздела дисперсной фазы (1) с дисперсионной средой (2) к общей массе частиц:

 

Sуд = S1, 2 / m [м2 /г].

 

Соответственно, чем меньше размер частиц, тем выше дисперсность и больше удельная поверхность.

Дисперсность фаз приводит к значительному увеличению площади поверхности раздела, поэтому дисперсные системы имеют высокоразвитую поверхность. Та­ковыми являются сыпучие и пористые материалы, почва, кожа, ткани, бумага, некоторые продукты питания (хлеб, молоко), суспензии, эмульсии, пасты, пены.

 

Суспензия (от позднелат. suspensio – подвешивание, от лат. suspend − подвешиваю) – дисперсная система, состоящая из жидкой дисперсионной среды и твёрдой дисперсной фазы. В отличие от высокодисперсных систем, в суспензиях частицы сравнительно быстро выпадают в осадок или всплывают. Эмульсия (от новолат. emulsio, от лат. emulgeо – дою, выдаиваю; одной из первых изученных эмульсий было молоко) – дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой (реже газовой) дисперсной фазой. Паста (от итал. pasta – тесто) – вещество в виде вязкой, тестообразной массы. Пена – ячеистая грубодисперсная система, в которой пузырьки газа или пара, представляющие собой дисперсную фазу, разделены тонкими прослойками жидкой или твёрдой дисперсионной среды.

Коллоидные системы

Коллоидные системы (или коллоиды) – разновидность гетерогенных дисперсных систем, характеризующиеся высокой степенью дисперсности, размеры частиц дисперсной фазы коллоидных систем 1-100 нм.

Коллоидные системы, дисперсионная среда которых жидкость, называется коллоидными растворами или золями (или лиозолями). Застывший золь, превратившийся в довольно плотную студнеобразную массу, называют гелем. В гелях дисперсная фаза образует пространственную структуру, в ячейках которой находится дисперсионная среда (газ или жидкость).

Если дисперсионной средой является вода, то коллоидные растворы называются гидрозолями, а гели – гидрогелями, если же дисперсионной средой являются органические жидкости, то соответственно они называются органозолями и органогелями.

 

Коллоиды, правильнее коллоидные системы (от греч. kolla – клей и eidos – вид) – дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами − суспензиями и эмульсиями. Прежде коллоидами называли " клееподобные тела" (белок, крахмал, клей и пр.); термин устарел и применяется лишь для краткости. Гель (от лат. gelо – застываю) – дисперсная система, обладающая некоторыми свойствами твёрдых тел (способность сохранять форму, прочность, упругость); типичные гели имеют вид студенистых тел (например, желатиновый студень, столярный клей). Гидрозоль (от греч. hydō r – вода, влага и золь) – дисперсная система, состоящая из твёрдых частиц, взвешенных в воде. Органозоль (от греч. organikos – органический и золь) – дисперсная система, в которой растворителем служит органическая среда.

 

На рис. 21 представлены процессы обратимого превращения твёрдого коллоида в гель и золь.

Золь Гель Твёрдый коллоид

 

Рис. 21. Превращения твёрдого коллоида в гель и золь

( – частицы дисперсной фазы, ● – молекулы дисперсионной среды)

 

 

Многие осадки, образовавшиеся после длительного стояния, в результате коагуляции (слипания) лиофильных коллоидных растворов становятся гелями. Например, коллоиды метакремниевой кислоты H2SiO3 образуют гели с большим количеством воды. При высушивании этих гидрогелей получаются так называемые силикагели, которые являются хорошими адсорбентами (часто пакетики с ними вкладывают в новую обувь).

ТЕСТОВЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

1. С увеличением энергии взаимодействия частиц вблизи границы раздела фаз удельная поверхностная энергия ….

1) уменьшается 2) изменяется неоднозначно

3) не изменяется 4) увеличивается

 

2. Повышение концентрации вещества вблизи границы раздела фаз называется ….

1) диффузией 2) десорбцией

3) адсорбцией 4) абсорбцией

 

3. Вещество, адсорбированное на поверхности раздела фаз, называется …

1) адсорбентом 2) адсорбером

3) адсорбтивом 4) адсорбатом

 

4. Вещество, обладающее адсорбционной способностью, называется ….

1) адсорбером 2) адсорбтивом

3) адсорбентом 4) адсорбатом

 

5. Физическая адсорбция от хемосорбции отличается ….

1) высоким тепловым эффектом и необратимостью

2) высоким тепловым эффектом и обратимостью

3) невысоким тепловым эффектом и необратимостью

4) невысоким тепловым эффектом и обратимостью

 

6. Химическая адсорбция от физической отличается ….

1) обратимостью

2) наличием межмолекулярного взаимодействия

3) увеличением свободной энергии Гиббса

4) необратимостью

 

7. Зависимость адсорбции от равновесной концентрации (в случае газов от равновесного парциального давления) при постоянной температуре называется … адсорбции.

1) изобарой 2) адиабатой

3) изотермой 4) изохорой

 

8. Изотерма адсорбции обычно описывается уравнением ….

1) Ван-дер-Ваальса 2) Ленгмюра

3) Смолуховского 4) Больцмана

 

9. Поверхностно-инактивными веществами являются ….

1) высшие жирные кислоты 2) высшие спирты

3) неорганические соли 4) жиры

 

10. Высокую поверхностную активность проявляют ….

1) неорганические кислоты

2) соли высших карбоновых кислот

3) соли низших карбоновых кислот

4) неорганические соли

 

11. Поверхностно-активным веществом является ….

1) HCOONa 2) Na2SO4

3) H2SO4 4) C17H35COONa

 

12. В состав ПАВ может входить группа ….

1) –СООН 2) –СН3

3) –С17Н35 4) –С2Н5

 

13. С увеличением длины углеводородного радикала поверхностная активность карбоновых кислот ….

1) уменьшается 2) изменяется неоднозначно

3) не изменяется 4) увеличивается

 

14. Концентрация ПАВ вблизи поверхностного слоя по сравнению с концентрацией в остальном объёме жидкости ….

1) практически одинакова 2) значительно ниже

3) изменяется неоднозначно 4) значительно выше

 

 

15. В присутствии ПАВ поверхностное натяжение воды ….

1) уменьшается 3) увеличивается

2) не изменяется 4) изменяется неоднозначно

 

 

16. Эффект изменения поверхностного натяжения под действием ПАВ, влияющий на смачиваемость твёрдых тел, используется при ….

1) флотации руд 2) восстановлении металла

3) электрофорезе 4) растворении электролитов

 

17. Различие в адсорбционной способности веществ используется
в ….

1) дериватографии 2) полярографии

3) хроматографии 4) томографии

 

18. Твёрдое тело, на поверхности которого происходит разделение и концентрирование веществ, в хроматографическом анализе называется ….

1) сорбтивом 2) абсорбентом

3) сорбатом 4) адсорбентом

 

19. Гетерогенная система, состоящая из двух и более фаз с сильно развитой поверхностью раздела, называется ….

1) диффузионной 2) дисперсной

3) поверхностной 4) неоднородной

 

20. Характерным признаком дисперсных систем является ….

1) постоянство состава 2) устойчивость

3) гетерогенность 4) гомогенность

 

21. Основной характеристикой дисперсных систем является … частиц дисперсной фазы.

1) размер 2) масса

3) количество 4) форма

 

22. К дисперсным системам, в которых дисперсионной средой является газ, а дисперсной фазой – твёрдое вещество, относится ….

1) мыльная пена 2) молоко

3) дым 4) краска


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2017-03-08; Просмотров: 771; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.213 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь