Тема 1. Поверхностное натяжение и поверхностно-активные вещества

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ ДЛЯ ФАКУЛЬТЕТА БЕЗОТРЫВНОГО ОБУЧЕНИЯ

 

 

Учебное пособие

 

 

Ухта 2010

 

 

Введение.

Номер варианта выбирается по двум последним цифрам в зачетке, внизу приведена таблица выбора вариантов:

 

 

вторая цифра
первая цифра

Ответы должны быть развернутые, как в решениях типовых задач по каждой теме, одного буквенного обозначения не достаточно. Решения в которых будет стоять только буквенное обозначение засчитываться не будут.

Тема 1. Поверхностное натяжение и поверхностно-активные вещества

1.1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение

Молекулы, находящиеся на границе раздела двух несмешивающихся фаз (жидкость - газ, жидкость(1) - жидкость(2), жидкость - твердое тело, газ - твердое тело) имеют избыточную потенциальную энергию, которая называется поверхностной энергией (Е_S).

При постоянной температуре и постоянном давлении поверхностная энергия Е_S пропорциональна площади поверхности раздела фаз (S):

 

Е_S = s´S (1.1)

 

Величина s называется коэффициентом поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением. Из уравнения (1.1) следует, что для индивидуального вещества поверхностное натяжение есть поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности (удельная поверхностная энергия):

s = Е_s / S (1.2)

 

Отсюда следует, что в системе интернациональной поверхностное натяжение измеряется в Дж/м².

 

Второй случай наблюдается, когда растворенное вещество более полярно, чем растворитель. Полярные молекулы растворённого вещества появляются в поверхностном слое, поэтому разность полярностей жидкость – газ увеличивается, а поверхностное натяжение раствора возрастает. Такие вещества называются поверхностно-инактивными (ПИнАВ).

По отношению к воде к ним относятся все неорганические электролиты – кислоты, щелочи, соли. Из органических веществ к поверхностно – инактивным веществам относятся лишь сильно ионизирующиеся, у которых неполярная группа очень небольшая, например, НСООН – муравьвинная кислота, NН₂СН₂СООН – аминоуксусная кислота.

В третьем случае, когда в жидкости растворяется вещество, полярность которого близка к полярности растворителя, поверхностное натяжение остается практически неизменным. Такие вещества называются поверхностно – нейтральными. Например, смеси жидких углеводородов (С₇Н₁₆ - С₈Н₁₈), спиртов (СН₃ОН - С₂Н₅ОН). В отношении воды к ним относятся сахара. Хотя следует заметить, что сахара могут быть ПАВ на границе водный раствор – твердая поверхность или другая жидкость.

1.4. Адсорбция на границе жидкость–газ

Взаимодействие между полярными молекулами растворителя и менее полярными молекулами ПАВ (например, Н₂О–С₃Н₇СООН) всегда меньше взаимодействия между полярными молекулами растворителя (Н₂О–Н₂О). Поэтому молекулы ПАВ будут преимущественно выталкиваться из объема раствора на поверхность. В результате концентрация ПАВ в поверхностном слое (c_S) становится больше, чем в объёме раствора (с_V).

Наоборот, взаимодействие между молекулами ПИнАВ и растворителя (например, Na₂SO₄ – H₂O) всегда больше, чем между молекулами растворителя (Н₂О-Н₂О). Поэтому молекулы ПИнАВ стремятся перейти в объем раствора.

В результате концентрация ПИнАВ в поверхностном слое оказывается меньше, чем в объеме раствора c_S< c_V.

Самопроизвольное изменение концентрации компонентов системы в поверхностном слое по сравнению с концентрацией в объемах фаз называется адсорбцией.

Решение типовых задач по теме поверхностное натяжение и поверхностно-активные вещества.

Задача 1.1. Исходя из строения молекулы, определите тип веществ С₂Н₅ОН и NaOH (по отношению к поверхности раздела “вода – воздух”).

Возможные ответы. Вещество С₂Н₅ОН (аналогично NaOH):

А) поверхностно-активное (ПАВ); Б) поверхностно-нейтральное (ПНВ); В) поверхностно-инактивное (ПИнАВ).

Тема 3. Дисперсные системы.

Классификация, получение и строение

3.1. Дисперсионная среда и дисперсная фаза. Дисперсность.

Система из двух (или более) веществ, в которой одно вещество измельчено и распределено в другом, называется дисперсной (от лат. dispersus– рассеянный). Вещество, образующее сплошную фазу называют дисперсионной средой; измельченное и распределенное в ней вещество называют дисперсной фазой. Например, глинистый раствор (взмученная в воде глина) состоит из воды – дисперсионной среды и взвешенных в ней мелких частиц глины – дисперсной фазы.

Реальный окружающий нас мир состоит из дисперсных систем. Для дисперсных систем, изучаемых коллоидной химией, характерны два признака: дисперсность и гетерогенность.

Дисперсность (D) есть мера раздробленности дисперсной фазы и является величиной обратной среднему диаметру частиц (d), то есть

 

D = 1/d [м^–1] (3.1)

 

3.2. Классификация дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы

Таблица 3.1. Классификация дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы

Размер частиц (d-диаметр, м)	Название	Характеристика, свойства
d > 10^–7	Грубодисперсные	Гетерогенны. Диффузия и броуновское движение не наблюдаются. Частицы дисперсной фазы не проходят через простые фильтры; быстро оседают (или всплывают); видимы в обычный микроскоп, т.к. отражают видимый свет
10^–9 < d < 10^–7	Высокодисперсные (коллоидно-дисперсные, коллоидные растворы или золи)	Микрогетерогенны. Наблюдается диффузия и броуновское движение. Частицы проходят через обычные фильтры, но задерживаются на ультрафильтрах; оседают очень медленно; не видны в обычный микроскоп, но обнаруживаются в ультрамикроскоп; рассеивают видимый свет
10^–9 < d < 10^–8   10^–9< d < 10^–8     d < 10^–9	а) Полуколлоиды (коллоидные ПАВ или мицеллрярные растворы)   б) Молекулярно-дисперсные растворы высокомолекулярных соединений   в) Молекулярно– и ионнодисперсные растворы (истинные растворы)	Отсутствует чёткая граница между коллоидной и молекулярной дисперсностью, гетерогенностью и гомогенностью; проявляют свойства коллоидных и молекулярных систем. Гомогенны.Проявляют не только свойства молекулярно-дисперсных систем, но и во многом похожи на коллоидные растворы, поэтому изучаются коллоидной химией. Гомогенны. Частицы (молекулы и ионы) диффундируют и находятся в броуновском движении, проходят через все фильтры; не оседают; не видны в ультрамикроскоп; пропускают видимый свет;

3.3. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы

 

Таблица 3.2. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы

 

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Условное обозначе-ние	Название	Примеры
Свободнодисперсные системы
		Газ	Г / Г	Гетерогенные системы не существуют
	Газ	Жидкость   Твердая	Ж / Г   Т / Г	Аэрозоли   Аэрозоли	Туман, пар   Дымы, пыль в воздухе
	Жидкость	Газ   Жидкость   Твердая	Г / Ж   Ж2 / Ж1   а) Т / Ж   в) Т / Ж	Пены, газовые эмульсии   Эмульсии   Суспензии   Коллоидные растворы (золи,суспензоиды)	Пены, применяемые в бурении, в тушении огня газированная вода.   Сырая нефть (вода в нефти).   Глина в воде, пульпы, пасты.   Коллоидные растворы Fe(OH)3, Al(OH)3, AgI
	Связанодисперсные системы
	Твердое тело	Газ   Жидкость     Твердое тело	Г / Т   Ж / Т     Т1 / Т2	Пористые тела   Капиллярные системы   Твердые гетерогенные системы	Залежи газа, пенопласты   Залежи нефти, почвы.     Сплавы, минералы, бетоны

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ ДЛЯ ФАКУЛЬТЕТА БЕЗОТРЫВНОГО ОБУЧЕНИЯ

 

 

Учебное пособие

 

 

Ухта 2010

 

 

Введение.

Номер варианта выбирается по двум последним цифрам в зачетке, внизу приведена таблица выбора вариантов:

 

 

вторая цифра
первая цифра

Ответы должны быть развернутые, как в решениях типовых задач по каждой теме, одного буквенного обозначения не достаточно. Решения в которых будет стоять только буквенное обозначение засчитываться не будут.

Тема 1. Поверхностное натяжение и поверхностно-активные вещества

1.1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение

Молекулы, находящиеся на границе раздела двух несмешивающихся фаз (жидкость - газ, жидкость(1) - жидкость(2), жидкость - твердое тело, газ - твердое тело) имеют избыточную потенциальную энергию, которая называется поверхностной энергией (Е_S).

При постоянной температуре и постоянном давлении поверхностная энергия Е_S пропорциональна площади поверхности раздела фаз (S):

 

Е_S = s´S (1.1)

 

Величина s называется коэффициентом поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением. Из уравнения (1.1) следует, что для индивидуального вещества поверхностное натяжение есть поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности (удельная поверхностная энергия):

s = Е_s / S (1.2)

 

Отсюда следует, что в системе интернациональной поверхностное натяжение измеряется в Дж/м².

 

Второй случай наблюдается, когда растворенное вещество более полярно, чем растворитель. Полярные молекулы растворённого вещества появляются в поверхностном слое, поэтому разность полярностей жидкость – газ увеличивается, а поверхностное натяжение раствора возрастает. Такие вещества называются поверхностно-инактивными (ПИнАВ).

По отношению к воде к ним относятся все неорганические электролиты – кислоты, щелочи, соли. Из органических веществ к поверхностно – инактивным веществам относятся лишь сильно ионизирующиеся, у которых неполярная группа очень небольшая, например, НСООН – муравьвинная кислота, NН₂СН₂СООН – аминоуксусная кислота.

В третьем случае, когда в жидкости растворяется вещество, полярность которого близка к полярности растворителя, поверхностное натяжение остается практически неизменным. Такие вещества называются поверхностно – нейтральными. Например, смеси жидких углеводородов (С₇Н₁₆ - С₈Н₁₈), спиртов (СН₃ОН - С₂Н₅ОН). В отношении воды к ним относятся сахара. Хотя следует заметить, что сахара могут быть ПАВ на границе водный раствор – твердая поверхность или другая жидкость.

1.4. Адсорбция на границе жидкость–газ

Взаимодействие между полярными молекулами растворителя и менее полярными молекулами ПАВ (например, Н₂О–С₃Н₇СООН) всегда меньше взаимодействия между полярными молекулами растворителя (Н₂О–Н₂О). Поэтому молекулы ПАВ будут преимущественно выталкиваться из объема раствора на поверхность. В результате концентрация ПАВ в поверхностном слое (c_S) становится больше, чем в объёме раствора (с_V).

Наоборот, взаимодействие между молекулами ПИнАВ и растворителя (например, Na₂SO₄ – H₂O) всегда больше, чем между молекулами растворителя (Н₂О-Н₂О). Поэтому молекулы ПИнАВ стремятся перейти в объем раствора.

В результате концентрация ПИнАВ в поверхностном слое оказывается меньше, чем в объеме раствора c_S< c_V.

Самопроизвольное изменение концентрации компонентов системы в поверхностном слое по сравнению с концентрацией в объемах фаз называется адсорбцией.