Решение типовых задач по теме поверхностные явления.

 

Задача 2.1. Влияние ПАВ на смачивание поверхности твёрдых тел.

По величине работы адгезии между водой и твердым телом (см. таблицу) вычислите краевой угол (q<90° или q>90°) и определите тип поверхности твёрдого тела. Поверхностное натяжение воды равно 73 мДж/м².

 

Таблица 2. Работа адгезии между водой и твердым телом

Твердое тело	Работа адгезии, мДж/м^2.
Вода+твёрд. тело.	вода + ПАВ+тв. тело
№1 стекло
№2 -парафин

 

Решение. Для каждого вещества вычислим угол смачивания с помощью уравнения Дюпре – Юнга: соs q = (W_a / s_жг ) – 1.

Результаты вычислений и выводы приведены в следующей таблице:

 

Твёрдое тело	соs q =	Угол смачивания q	Вывод (тип поверхности)
№1 стекло	0,973	q<90^º	гидрофильная
№2 -парафин	– 0,274	q>90^º	гидрофобная

 

 

Задача 2.2. На гидрофильную поверхность (см. задачу 2.1) нанесли тонкий слой вещества, не растворимого в воде. По величине работы адгезии между водой и ПАВ (см. таблицу в условии задачи 2) определите, как изменилась смачиваемость твердого тела.

Решение. Из уравнения Дюпре – Юнга: соs q = (W_a / s_жг )-1. Результаты вычислений и выводы приведены в следующей таблице:

 

Твёрдое тело	соs q	Угол смачивания q	Вывод (тип поверхности)
№1 - стекло	– 0,041	q>90^º По сравнению с задачей 3 угол q увеличился	Смачиваемость уменьшилась (произошла гидрофобизация поверхности стекла)

Задача 2.3. На гидрофобное тело (см. задачу 2.1) нанесли водный раствор ПАВ. Как изменилась смачиваемость, если поверхностное натяжение раствора ПАВ равно 50 мДж/м²? Работа адгезии приведена в таблице задачи 2.1.

Возможные ответы: А) увеличилась; Б) уменьшилась; В) не изменилась

Решение. Из уравнения Дюпре – Юнга: соs q = (W_a / s_жг ) – 1. Результаты вычислений и выводы приведены в следующей таблице:

 

Твёрдое тело	соs q	Угол смачивания q	Вывод (тип поверхности)
№2 -парафин	0,48	q<90^º По сравнению с задачей 3 угол q уменьшился	Смачиваемость увеличилась (произошла гидрофилизация поверхности парафина)

 

2.4. Для каждого случая нарисуйте расположение капли воды и раствора ПАВ на поверхности твердого тела. Покажите на рисунке краевой угол и адсорбцию ПАВ.

Рис. 2.3. Влияние ПАВ на смачивание гидрофобного тела

а) поверхность не смачивается водой (гидрофобная);

б) поверхность смачивается раствором ПАВ (гидрофильная)

 

 

Рис. 2.4. Гидрофобизация твердой поверхности

а – поверхность смачивается водой; б – поверхность не смачивается водой

 

 

Многовариантные контрольные задачи.

2.1 По величине работы адгезии между водой и твердым телом (см. табл. 3) вычислите краевой угол смачивания. Определите, какое твёрдое тело является гидрофильным (лучше смачивается водой). Поверхностное натяжение воды равно 73мДж/м².

 

2.2 На гидрофильную поверхность нанесли тонкий слой поверхностно-активного вещества, не растворимого в воде. По величине работы адгезии между водой и ПАВ (см. табл. 3) определите, как изменилась смачиваемость твердого тела.

 

2.3 На гидрофобное тело нанесли водный раствор ПАВ. Как изменилась смачиваемость, если поверхностное натяжение раствора ПАВ равно 50мДж/м²? Работа адгезии приведена в таблице 3.

 

2.4 Для каждого случая нарисуйте расположение капли воды и раствора ПАВ на поверхности твердого тела. Покажите на рисунке краевой угол и адсорбцию ПАВ.

 

Таблица 3. Работа адгезии между водой и твердым телом

Вариант	Твердое тело	Работа адгезии, мДж/м^2.
вода	вода и ПАВ
1,	А - кальцит
В - графит
2,	А- малахит
В - пирит
3,	А - слюда
В - тальк
4,	А- галенит
В - сера
	5,	А - кварц
	В - тефлон
	6,	А - графит
	В - слюда
	7,	А - тальк
	В - кварц
	8,	А - сера
	В - песок
	9,	А-кальцит
	В-пирит
	10,	А-малахит
	В-тальк
	11,	А-песок
	В-графит
	12,	А-песок
	В-уголь
	13,	А-графит
	В-кварц
14,	А-сера
В-малахит
	15,	А-парафин
	В-песок
	16,	А-уголь
	В-песок
	17,	А-пирит
	В-слюда
18,	А-тефлон
В-кальцит
19,	А-сера
В-кварц
20,	А-слюда
В-тефлон

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