Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Агрегативная устойчивость коллоидных систем.Стр 1 из 13Следующая ⇒
Коагуляция.
Коллоидными системами называют сложные многокомпонентные системы - золи, суспензии, эмульсии, гели, аэрозоли и др. – обладающие общими характерными признаками: гетерогенностью, определенной дисперсностью (порядок среднего радиуса частиц колеблется в пределах 10-9-10-5 м) и агрегативной неустойчивостью без стабилизатора. Наиболее изучены с точки зрения их строения такие коллоидные системы, как гидрозоли. Гидрозоли можно получить двумя способами: 1) диспергированием (измельчением) макроскопических частиц до коллоидной степени дисперсности; 2) конденсацией (укрупнением частиц молекулярной дисперсности до коллоидной). Второй способ включает химические реакции, в результате которых образуются нерастворимые соединения, например: AgNO3 + KI → AgI + KNO3 Здесь молекулы AgI (обозначим их количество через n) составят так называемое ядро мицеллы. Для стабилизации золя берут избыток электролита, содержащего ион, общий с ионами, входящими в ядро (в данном случае, например, KI). Согласно правилу Фаянса, на поверхности ядра адсорбируются ионы иода (в количестве m), которые сообщают ядру отрицательный заряд. Это – потенциалобразующие ионы. Часть противоположно заряженных ионов калия удержится в адсорбционном слое, будучи притянута электростатическими силами к ядру (их называют связанными противоионами), остальные x свободных противоионов диффузно раполагаются вблизи ядра. Все сказанное можно выразить формулой: { n (AgI) m I-(m - x)K + }- x K+ └ ядро ┘ └ гранула(частица) ┘ └ мицелла ┘
Ядро с потенциалобразующими ионами и связанными противоионами составляют гранулу (коллоидную частицу), а гранула вместе со свободными противоионами – мицеллу. В приведенном примере гранула заряжена отрицательно; мицелла – всегда электронейтральна. Агрегативная устойчивость золя, характеризующаяся постоянством степени дисперсности, обусловлена, главным образом, сольватацией ионов стабилизатора. Однако, добавление избыточного количества электролитов приводит к разрушению мицеллы – начинается коагуляция золя. Коагулирующим ионом является ион, заряд которого противоположен заряду гранулы. Наименьшее количество электролита, необходимое для коагуляции 1 м3 золя, называется порогом коагуляции.
Для расчета порога коагуляции достаточно умножить коцентрацию электролита с (кмоль/м3) на объем раствора, вызвавшего коагуляцию V (м3), и разделить на взятый объем золя W (м3): γ = cV / W (кмоль/м3), (1) где V<<W. Согласно правилу Шульце-Гарди, при коагуляции золей поливалентными ионами порог коагуляции уменьшается:? Коагулирующая способность двухвалентных ионов приблизительно в 50 раз, а трехвалентных в 100 раз больше, чем одновалентных. Уравнение зависимости порога коагуляции от валентности коагулирующего иона Z: γ = (A ε3 T 5) / Z 6, (2) где A – обобщенная константа; ε – диэлектрическая проницаемость среды; T – температура. При изучении коагуляции можно наблюдать медленную коагуляцию, если не каждое столкновение между частицами приводит к их слипанию, и быструю коагуляцию, когда эффективными являются все столкновения частиц. Теорию кинетики быстрой коагуляции разработал Смолуховский. Он представил процесс уменьшения общего числа частиц n во времени τ аналогичным реакции второго порядка: - dn / d τ = Kn 2. (3) После интегрирования K = (1/ τ) (1/ n - 1/ no) (4) или n = no / (1 + Kno τ), (5) где no – общее число частиц в единице объема золя до коагуляции, n – число частиц к моменту времени τ, K – константа скорости коагуляции. Константа K легко вычисляется по уравнению (2). Ее величина зависит от коэффициента диффузии D и радиуса сферы притяжения ρ: K = 4π D ρ. (6)
Подставив сюда вместо D его значение согласно уравнению Эйнштейна D +(RT) / (6πη rN) (7) (здесь η – вязкость среды, а r – радиус частицы), а вместо ρ = 2 r, получим K = (4 RT) / (3η N) (м3/сек) (8) Из формулы (3) ясно, что K является универсальной константой, не зависящей от начальной концентрации золя и от размеров частиц и, поэтому, не меняющейся при их слипании. Если величина константы K, вычеслинная из экспериментальных данных, не совпадает с величиной из теоретической формулы (3) (Кэксп < Ктеор), то это значит, что в системе происходит не быстрая, а медленная коагулдяция.
2. Поверхностные явления в коллоидных системах
Для коллоидных систем характерна большая раздробленность. Общая поверхность частиц дисперсной фазы достигает значительной величины. Поэтому и удельная поверхность – суммарная поверхность частиц в единице объема или в единице массы вещества – в диспергированном состоянии представляет величину порядка сотен и даже тысяч квадратных метров. Для расчета удельной поверхности (S уд) системы с шарообразными частицами достаточно знать величину среднего радиуса частицы (r): S уд = nSo = (4π r 2) / (4π r 3 / 3) = 3 / r (м-1), (9) где n – число частиц в 1 м3, равное 1 / (4π r 3 / 3), а So поверхность каждой частицы. Или S уд = n1 So = 3 / (r γ) (м2/ кг), (10) где n 1 – число частиц в 1 кг, равное 1 / (4π r 3 γ / 3), γ - плотность вещества. Изучение поверхностных свойств является одной из важных проблем коллоидной химии. Запас свободной поверхностной энергии А определяется суммарной поверхностью частиц S и коэффициентом поверхностного натяжения σ: A = σ S (Дж/м2). (11) При отсутствии стабилизатора свободная поверхностная энергия коллоидной системы падает за счет уменьшения величины поверхности S (происходит коагуляция). Чтобы предотвратить агрегирование частиц, добавляют стабилизатор, который при неизменной величине поверхности поверхности снижает свободную поверхностную энергию, уменьшая поверхностное натяжение σ. Величина поверхностного натяжения σ численно равна работе, которую необходимо затратить на образование 1 м2 новой поверхно-сти в изотермических условиях. Ее размерность Дж/м2 или Н/м. Известно несколько методов определения поверхностного натяжения. При использовании метода поднятия жидкости в кпилляре применяют уравнение: σ = hr γ g / 2, (12) где σ – поверхностное натяжение жидкости (Н/м), r – радиус капилляра (м), γ – плотность (кг/м3), g - ускорение силы тяжести (м/с2). Другой метод определения поверхностного натяжения – метод Траубе. С помощью сталагмометра подсчитывается, какое число капель стандартной жидкости no и исследуемой жидкости no содержится в определенном объеме этих жидкостей: σ = (no γ x σ о) / (nx γ o), (13)
где γ o и γ x - плотности стандартной и исследуемой жидкостей, σ о - поверхностное натяжение стандартной жидкости. Для измерения поверхностного натяжения растворов можно применить также метод «отрыва кольца». Кольцо из металлической проволки опускается на повехность жидкости и уравновешивается рычагом весов. Затем определяется усилие, которое нужно приложить, чтобы преодолеть силу сцепления кольца с жидкостью и оторвать кольцо от поверхности. Величина приложенной силы F, выраженная в килограммах, пропорциональна поверхностному натяжению жидкости σ (Н/м): F = k σ, (14) где k – обобщенная константа, зависящая от диаметра проволоки, размеров кольца и краевого угла смачивания Θ. Величину k определяют по стандартной жидкости, поверхностное натяжение которой известно, - обычно по воде. Широко распространенным методом определения поверхностного натяжения является метод наибольшего давления пузырька. К поверхности жидкости подводится вакуумная пробирка с капилляром, на конце которого под действием вакуума образуется воздушный пузырек. Давление, при котором пузырек проскакивает через поверхностную пленку жидкости и прорывае ее, определяется величиной поверхностного натяжения жидкости: σx = (σ 0 px ) / p 0) (Н/м), (15) где σ 0 – поверхностное натяжение стандартной жидкости (Н/м), px и po - давления, необходимые для проскока пузырька через повехность исследуемой и стандартной жидкостей (Н/м2). Поверхностно-активными называются вещества, добавки которых уменьшают поверхностное натяжение растворителя. По отношению к воде – это органические кислоты, спирты, белки, мыла и другие дифильные (т.е. состоящие из полярной и неполярной частей) вещества. Изменение поверхностного натяжения раствора при введении поверхностно-активных веществ определяют с помощью уравнения Шишковского: σ о - σ = a ln (1 + bc), (16) где σ о и σ поверхностное натяжение растворителя и раствора соответственно (н/м), a и b - эмпирические константы, причем а мало меняется от вещества к веществу, b зависит от поверхностной активности вещества, c - концентрация раствора (кмоль/м3). Мерой поверхностной активности вещества является константа b в уравнении Шишковского, а также производная (- dσ / dc) = φ, которая может быть определена графически, если известна зависимость поверхностного натяжения от концентрации; при этом берут величину производной при с → 0.
Адсорбцией называют увеличение концентрации вещества на поверхности раздела фаз. Для определения количества адсорбирующегося вещества могут применяться следующие уравнения: 1) Уравнение Гиббса, устанавливающее соотношение между величиной адсорбции Γ (кмоль/м2), концентрацией раствора c - (кмоль/м3) и мерой поверхностной активности (- dσ / dc): Γ = - (c / RT)∙(dσ / dc). (17) 2) Уравнение монослойной адсорбции Ленгмюра: Γ = Γ ∞ (bc / (1 + bc)), (18) где Γ – величина адсорбции (кмоль/м2), Γ ∞ - предельное количество адсорбирующегося вещества (адсорбата) (кмоль/м2), b - константа, характеризующая поверхностную активность вещества (ее значение то же, что и в уравнении Шишковского), c – равновесная концентрация растворенного вещества (кмоль/м3). 3) При адсорбции газа или растворенного вещества на твердом адсорбенте используют эмпирическое уравнение Фрейндлиха: Γ = β с α (для растворов) (19) или Γ = β р α (для газов). (20) 4) Уравнение Дубинина применяется для расчета полислойной адсорбции. Изотерма адсорбции на адсорбентах с мелкими порами (средний радиус порядка 10-9 м) – они получили название адсорбентов I структурного типа – имеет вид: -k1T2 lg(ps / p) Γ = (w / V) e , (21) а для крупнопористых адсорбентов II структурного типа (средний радиус порядка 10-7 – 10-6 м): -k2T2 lg(ps / p) Γ = (w / V) e , (22) где Γ – величина адсорбции (кмоль/кг), w – общая пористость (м3/кг), V - молярный объем адсорбируемого вещества в жидком состоянии (м3/кмоль), k 1 и k 2 - константы, T – абсолютная температура, ps – давление насыщенного пара, p – равновесное давление пара при данной температуре.
|
||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-04-04; просмотров: 153; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.15.10.137 (0.027 с.) |