Истинно растворимые частицы обуславливают, в частности, осмотическое давление, осмотические явления снижения температуры замерзания и повышения температуры кипения.
Высокодисперсные гетерогенные системы, в отличие от растворов, содержат чаще всего 2 фазы. Одна фаза представляет собой высокодисперсные мельчайшие частицы вещества или макромолекулы ВМС и называется дисперсной фазой. Другая фаза, в которой распределены агрегаты дисперсных частиц или макромолекул, называется дисперсионной средой. Условием образования таких дисперсных систем (коллоидного состояния вещества) является нерастворимость одной фазы в другой.
Дисперсная фаза, состоящая из множества мельчайших частиц, имеет очень большую удельную поверхность раздела с дисперсионной средой. Особые свойства поверхности раздела обусловливают специфические особенности дисперсных систем, что и является причиной выделения данной области знания в отдельную науку – коллоидную химию.
Основными отличительными особенностями дисперсных систем от истинных растворов являются:
а) способность к рассеиванию ими света;
б) медленная диффузия частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде;
в) способность к диализу;
г) агрегативная неустойчивость дисперсной фазы, которая определяется выделением частиц из дисперсионной среды при добавлении к системе электролитов или под влиянием других внешних воздействий.
61. Рассчитать средний сдвиг частиц аэрозоля с радиусом частиц 10-7 м за время 10 с при температуре 273 К и вязкости воздуха 1,7·10-5 н·с/м2. Как изменится средний сдвиг частиц, если радиус частиц аэрозоля увеличится до 10-6 м?
Средний сдвиг частиц аэрозоля
время, за которое происходит смещение частицы (продолжительность диффузии), с;
D коэффициент диффузии, м2 . с-1.
Коэффициент диффузии для сферической частицы рассчитывается по уравнению Эйнштейна:
,
где NА – число Авогадро, 6 10 23 молекул/моль;
h – вязкость дисперсионной среды, Н с/м2 (Па с);
r – радиус частицы, м;
R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль · К;
T – абсолютная температура, К;
число 3,14.
ответ на второй вопрос задания:
Таким образом, средний сдвиг частицы уменьшиться в 10 раз.
Ответ: , уменьшится в 10 раз.
80. Адсорбция ионов на твердой поверхности. Понятие об ионитах. Обратимая ионообменная адсорбция – основа ионообменной хроматографии.
Физические процессы молекулярной адсорбции на твердой поверхности описываются уравнениями Ленгмюра и Фрейндлиха.
Уравнение Ленгмюра:
,
где Г – величина адсорбции, кмоль/кг или кмоль/м2;
Гmax – величина предельной адсорбции, кмоль/кг (кмоль/м2);
С – концентрация раствора, кмоль/л;
а – константа равновесия адсорбции.
Это уравнение хорошо описывает адсорбцию для малых и больших концентраций растворов (или давлений газа).
Эмпирическое уравнение Фрейндлиха:
,
где Г – величина адсорбции, кмоль/кг (кмоль/м2);
n – количество вещества-адсорбтива, кмоль;
m – масса адсорбента, кг;
К – константа (при С = 1 моль/л К = Г);
1/а – константа (адсорбционный показатель); зависит от природы адсорбента и температуры. 1/а = 0,1–1.
Адсорбционная хроматография основана на различии сорбируемости разделяемых веществ адсорбентом (твёрдое тело с развитой поверхностью); распределительная хроматография — на разной растворимости компонентов смеси в неподвижной фазе (высококипящая жидкость, нанесённая на твёрдый макропористый носитель) и элюенте (следует иметь в виду, что при распределительном механизме разделения на перемещение зон компонентов частичное влияние оказывает и адсорбционное взаимодействие анализируемых компонентов с твёрдым сорбентом).
Ионообменная хроматография основана на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой (ионитом) и компонентами разделяемой смеси.
Если на поверхности адсорбента уже адсобирован электролит, то при контакте этого адсорбента с другим электролитом почти всегда в той или иной степени происходит ионообменная адсорбция. Она наблюдается на поверхности с достаточно выраженным двойным электрическим слоем. Подвижные противоионы электрического слоя способны обмениваться на другие ионы того же знака, находящиеся в растворе.
Количественное описание ионообменного процесса (обратимость процесса, эквивалентность обмена, порядок обмена ионов) было сделано Гедройцем уже в начале XXв. Вещества, проявляющие способность к ионному обмену и используемые для адсорбции ионов, получили название ионообменников или ионитов.
Иониты имеют каркасную структуру, «сшитую» ковалентными связями. Каркас (матрица) обладает положительным или отрицательным зарядом, который скомпенсирован противоположным зарядом подвижных ионов – противоионов, находящихся в адсорбционной и диффузной частях двойного электрического слоя. Противоионы могут заменяться на другие ионы из раствора с зарядом того же знака, а каркас выступает в роли полииона и обусловливает нерастворимость ионита в растворителе.
Иониты делятся по составу на органические и неорганические, по происхождению – на природные и синтетические, по характеру обмениваемых ионов – на катиониты, аниониты и амфолиты.
Из природных неорганических катионитов чаще используются кристаллические силикаты типа цеолитов: шабазит, глакуонит и др. их каркас состоит из сетчатой структуры алюмосиликатов, в порах которой расположены ионы щелочных или щелочноземельных металлов, являющихся противоинами. К природным ионитам относятся апатиты.
Природные органические иониты – гумусовые вещества почв, содержащие карбоксильную группу, способную к ионному обмену. составляющие почву вещества обладают амфотерными свойствами и поэтому в зависимости от условий могут обменивать как катионы, так и анионы. Однако широкого применения природные иониты не имеют ввиду химической нестойкости и небольшой обменной емкости.
Промышленное применение имеют синтетические иониты, и среди них наиболее широко используют ионообменные смолы, которые имеют сетчатую структуру и содержат ионогенные группы: - OH, COOH, SO3H, - COONa и т.п.
89. Написать формулу строения мицеллы золя, образованного в результате взаимодействия указанных веществ(избытка одного, затем другого вещества): CdCl2 + Na2S; FeCl3 + NaOH. Назвать составляющие компоненты мицеллы.
1) CdCl2 + Na2S
Избыток CdCl2 дает мицеллу:
[ (CdCl2 ) Cd2+ · Cl–]+ x Cl–
зародыш: (CdCl2 )
ядро: [ (CdCl2 ) Cd2+
гранула: [ (CdCl2 ) Cd2+ · Cl–]+
Избыток Na2S дает мицеллу:
[2 (NaCl) 2 Cl– · Na+]– x Na+
зародыш: (NaCl )
ядро: (NaCl ) 2 Cl-
гранула: [ (CdCl2 ) Cd2+ · Cl–]+
2) FeCl3 + NaOH
Избыток FeCl3 дает мицеллу:
[ (FeCl3 ) Fe3+ · 2Cl–]+ x Cl–
зародыш: (FeCl3 )
ядро: (FeCl3 ) Fe3+
гранула: [ (FeCl3 ) Fe3+ · 2Cl–]+
Избыток NaOH дает мицеллу:
[3 (NaCl) 3 Cl– · 2Na+]– x Na+
зародыш: (NaCl )
ядро: 3 (NaCl) 3 Cl–
гранула: [3 (NaCl) 3 Cl– · 2Na+]–
98. Коагуляция дисперсной системы. Скорость коагуляции. Причины, вызывающие процесс самопроизвольной коагуляции.
Коагуляция – процесс самопроизвольного укрупнения (слипания) дисперсных частиц, который может происходить при действии на дисперсную систему различных факторов: при интенсивном перемешивании или встряхивании, нагреве или охлаждении, облучении светом или пропускании электрического тока, при добавлении к системе электролитов или неэлектролитов и др. При разных способах воздействия на систему происходит уменьшение энергии связи диспергированных частиц с окружающей их дисперсионной средой. Так, добавление электролита вызывает сжатие диффузного слоя в коллоидной частице, следовательно, понижение величины электрокинетического потенциала. Это приводит к уменьшению электростатического отталкивания коллоидных частиц и, как следствие, к большей вероятности их слипания.
Минимальная концентрация электролита, добавляемого к дисперсной системе, при которой наступает явная коагуляция за определенный промежуток времени, носит название порога коагуляции . Порог коагуляции определяется температурой, природой добавленного электролита, знаком заряда добавляемого иона (действует прежде всего ион, имеющий заряд, противоположный заряду коллоидных частиц) и величиной заряда этого иона. Так, для трех-, двух- и однозарядных ионов явная коагуляция наступает при концентрации электролитов в соотношении 1:10 - 50: 500-1000 (приближенное правило Шульце-Гарди).
Порог коагуляции рассчитывается следующим образом:
, (1)
где порог коагуляции, кмоль/м3;
С – молярная концентрация раствора электролита, кмоль/м3;
Vэл – объем раствора электролита, м3;
Vзоля – объем золя, м3.
Теорию быстрой скорости коагуляции разработал Смолуховский. Он автор уравнения для расчета константы скорости коагуляции K:
, (2)
где n0 и n – число частиц в единице объема системы до начала коагуляции и к моменту времени соответственно
время коагуляции, с.
Константа скорости коагуляции зависит от коэффициента диффузии для частиц и их радиуса следующим образом:
К = 8 · ·D · r. (3)
Учитывая уравнение (2) и уравнение Эйнштейна, окончательное уравнение для константы скорости коагуляции принимает вид:
, (4)
где К – константа скорости коагуляции, м3/с;
– вязкость среды, Па·с;
NA – число Авогадро.
Смолуховский ввел также понятие о времени половинной коагуляции, согласно которому время, необходимое для уменьшения первоначального числа частиц в 2 раза, связано с их исходным числом следующим образом:
, (5)
где – время половинной коагуляции, с;
– время от начала коагуляции, с.
Из уравнения, преобразованного к виду:
, (6)
следует, что если построенный в координатах nо/n = f ( график представляет собой прямую линию, то это служит показателем соответствия экспериментальных данных теории Смолуховского.
108. Суспензии. Условия их образования и свойства. Пасты – концентрированные суспензии. Примеры суспензий среди продуктов питания.
Суспензии – это взвеси порошков в жидкости (тип Т/Ж). Дисперсная фаза в суспензиях содержит частицы сравнительно больших размеров (более 10–4 см), поэтому суспензии седиментационно (т.е. по способности к оседанию) неустойчивы. Им не свойственны осмотическое давление, броуновское движение и диффузия. Частицы могут нести на своей поверхности двойной электрический слой, что способствует их стабилизации, но под влиянием электролитов суспензии коагулируют или образуют агрегаты, причем коагулированная суспензия, обычно легко пептизируется. Суспензии гидрофильных частиц стойки в воде, но нестойки в углеводородах. Их стойкость повышается в присутствии поверхностно-активных веществ. Повышению стабильности суспензий способствует также образование заряда на поверхности частиц (мицеллирование).
Пасты – это высококонцентрированные стабилизированные суспензии (типа Т/Ж), в которых частицы дисперсной фазы связаны за счет молекулярных сил и по этой причине не способны к взаимному перемещению. В таких высоковязких (пластично-вязких) системах почти вся дисперсионная среда сольватно связана с дисперсной фазой. Таким образом, пасты занимают промежуточное положение между порошками и суспензиями. В них могут протекать процессы, характерные для коллоидных систем с внутренней структурой (синерезис и др.) Большое практическое значение таких концентрированных систем обусловлено их пластичностью.
Примерами суспензий среди продуктов питания являются все пищевые пасты: томатная, шоколадная, сырная и т.д.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ахметов Б. В. Задачи и упражнения по физической и коллоидной химии. – Л.: Химия, 1989.
2. Гамеева О. С. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1983.
3. Евстратова К. И., Купина Н. А., Малахова Е. М. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1990.
4. Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Коллоидная химия. – М.: Химия, 2001.
5. Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Физическая химия. – М.: Химия, 2000.
6. Киселев Е. В. Сборник примеров и задач по физической химии. – М.: Высшая школа, 1983.
7. Кнорре Д. Г. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1990.
8. Стромберг А. Г. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 2001.
9. Степин Б. Д. Международные системы единиц физических величин в химии. – М.: Высшая школа, 1990.
10. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия, 1995.
11. Хмельницкий Р. А. Физическая и коллоидная химиия. – М.: Высшая школа, 1988.
Страницы: 1, 2
