Основные признаки дисперсных систем 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Основные признаки дисперсных систем



КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

«Коллоидная химия»

для студентов химико-технологических специальностей

Херсон 2003

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Предлагаемый конспект лекций соответствует рабочей программе курса коллоидной химии для студентов химико-технологических специальностей, а именно, обучающихся по направлению «Химическая технология и инженерия» и специализирующихся по следующим специальностям:

- химическая технология и оборудование

отделочного производства;

- технология бродильных производств и виноделия;

- технология хранения и переработки овощей.

В настоящем конспекте лекций большое внимание уделено отличительным особенностям дисперсных систем, которые являются предметом изучения коллоидной химии, получению дисперсных систем, поверхностным явлениям в дисперсных системах, адсорбции, электрическим явлениям на поверхности, адгезии, смачиванию, а также устойчивости дисперсных систем.

В конспект включены также лекции, посвященные растворам высокомолекулярных соединений, широко используемых в технологиях как пищевой так и легкой промышленности и их структурообразованию

Материал в конспекте лекций представлен, главным образом, по свойствам дисперсных систем, в том числе, такие важнейшие системы как гели, рассмотрены в рамках структурообразования, а сведения о поверхностно-активных веществах приведены при рассмотрении темы, посвященной поверхностному натяжению.

Обусловлена такая последовательность необходимостью компактного изложения материала и крайне ограниченным объемом лекционной нагрузки, предусматриваемым учебным планом.

Дополнением к настоящему конспекту лекций служит методическое пособие к выполнению лабораторных работ по курсу «Коллоидная химия», в котором заданиям предшествует объемный теоретический материал, посвященный, главным образом, отдельным конкретным дисперсным системам и методам оценки их основных свойств. Таковыми являются лабораторные работы, посвященные получению дисперсий полимеров и оценке размеров их частиц, получению эмульсий и пен, оценке электрокинетических потенциалов волокон, построению изотерм адсорбции полимеров твердыми поверхностями, оценке поверхностного натяжения растворов с помощью различных методов и т.д.

Таким образом обеспечивается оптимальное использование аудиторных часов, отводимых учебным планом на изучение курса «Коллоидная химия», а лекционный материал в значительной мере дополняется теоретическими разделами лабораторного практикума, изучаемыми студентами в рамках самостоятельной работы.

 

Лекция 1. Основные определения коллоидной химии и ее предмета. Основные признаки и классификация дисперсных систем.

 

Основные определения коллоидной химии.

Роль коллоидных систем в материальной культуре человечества.

Значение коллоидной химии в построении технологий.

Предмет коллоидной химии.

Основные признаки дисперсных систем.

Классификация дисперсных систем (по дисперсности, агрегатному состоянию, межфазному взаимодействию).

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия. – 1975.

2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы): Учебник. – М.: Химия. – 1982.

3. Балезин С.А., Ерофеев Б.В., Подобаев Н.И. Основы физической и коллоидной химии. – М.: Просвещение. – 1975.

4. Липатов Ю.С. Коллоидная химия полимеров. – К.: Наукова думка. – 1984.

5. Щукин Е.Д. и др. Коллоидная химия. – Изд-во московского университета. – 1982.

6. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия. – 1984.

 

Название «коллоидная химия» происходит от слова colla (клей) (греч.).

Очевидно потому, что первыми объектами изучения были растворы ВМС – желатины, крахмала, которые обладают клеящими свойствами.

Поверхностные явления и дисперсные системы – являются предметами коллоидной химии.

В свою очередь, коллоидная химия является разделом физической химии.

Определение коллоидной химии в редакции Ребиндера П.А. звучит следующим образом (Краткая химическая энциклопедия): «“Коллоидная химия” – раздел физической химии, в котором рассматриваются процессы образования и разрушения дисперсных систем, а также их характерные свойства, связанные в основном с поверхностными явлениями на границах раздела фаз в этих системах.»

Термин “коллоидная химия” связан с тем, что по традиции коллоидами называют высокодисперсные системы с предельно развитой поверхностью раздела фаз.

При описании этих систем вклад, определяемый поверхностными свойствами и эффектами, преобладает над вкладом объемных свойств.

Предмет коллоидной химии очень широк. Он может быть представлен как область, описывающая процессы в системах, в которых главную роль играют поверхностные явления.

Основное условие существования коллоидной частицы – наличие у нее границы раздела с дисперсионной средой.

Вместе с тем, частица должна быть образована из большого числа молекул, для того чтобы к ней можно было применять термодинамическое определение фаз.

 

Значение коллоидной химии

Современная коллоидная химия играет огромную роль во всей материальной культуре человечества, поскольку материальная основа современной цивилизации и самого существования человека связаны с коллоидными системами.

Учение о растворах является одним из основных в современной химии и при изучении химии растворам уделяется большое внимание

Между тем, молекулярные и ионные растворы встречаются в природе и технике реже, чем коллоидные растворы.

Все живые системы являются высокодисперсными, что делает изучение коллоидной химии необходимым для биолога. Волокна, мышечные и нервные клетки, кровь, клеточные мембраны, протоплазма, гены, вирусы – все это коллоидные образования.

Коллоидная химия важна для изучения почвы. Между коллоидно-химическим состоянием почвы и ее плодородием существует связь. Факторы коллоидной химии имеют решающее значение в процессах образования почв, их засоления, орошения, обработки, внесения удобрений.

В геологии и в геофизике процессы коллоидной химии также важны, поскольку с ними связаны все теории строения геологических структур и их генезиса.

Технологии многих промышленных производств непосредственно связаны с коллоидной химией, а науки об этих производствах практически представляют собой прикладную коллоидную химию.

Так эмульсии, суспензии, студни, пены, порошки широко используются как в пищевой, так и в текстильной промышленности.

Установление связи между этими свойствами и технологическими параметрами позволяет технологам правильно использовать исходные материалы, грамотно строить технологический процесс, разрабатывать научно обоснованные методы создания продукции с заданными свойствами.

Коллоидная химия имеет большое значение для понимания свойств пищевого сырья, для построения рациональной технологии его переработки, для объективной оценки качества получаемой продукции.

Используемое в пищевой промышленности сырье, преимущественно представляет собой коллоидные и высокомолекулярные системы.

Технологический процесс переработки такого сырья может быть понят и рационально построен в значительной степени на основе коллоидной химии.

Контроль качества продукции – важнейшее звено каждого производства. Коллоидная химия позволяет разработать эффективную систему технологического контроля.

Таким образом, знание основ коллоидной химии очень важно для технологов работающих в различных областях промышленности.

Следует отметить большое значение коллоидной химии для защиты окружающей среды и очистки сточных вод.

Методы очистки водных сред от дисперсных частиц основаны на закономерностях коллоидной химии.

 

Агрегатному состоянию

Дисперсионная среда Дисперсная фаза Условное обозначение Название системы и примеры
Твердая Твердая   Жидкая     Газообразная Т/Т   Ж/Т     Г/Т Твердые гетерогенные системы: минералы, сплавы, бетон, цветные смеси, композиционные материалы. Капиллярные системы: почвы, грунты, жидкость в пористых телах, опал, жемчуг, хризокола. Пористые тела: пемза, силикагель, активные угли.
Жидкая Твердая   Жидкая Газообразная Т/Ж   Ж/Ж Г/Ж Суспензии и золи: пасты, взвеси, ил, пульпа. Эмульсии: нефть, кремы, молоко. Газовые эмульсии: пены.
Газообразная Твердая   Жидкая Газообразная Т/Г   Ж/Г Г/Г Аэрозоли: (пыли, дымы), порошки. Аэрозоли: туманы, облака. Коллоидные системы отсутствуют.

 

Системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями.

Системы с жидкой средой – лиозолями. В зависимости от природы жидкости лиозоли делят на гидрозоли, органозоли, бензозоли и т.д.

Из табл. 1.2 видно, что все дисперсные системы по кинетическим свойствам дисперсной фазы делятся на два класса: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связнодисперсные системы – системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно передвигаться.

 

Классификация по степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой

По взаимодействию дисперсной фазы с дисперсионной средой различают системы:

  1. Лиофильные (если дисперсионная среда вода – гидрофильные). Системы в которых сильно выражено взаимодействие частиц дисперсной фазы с растворителем (от греческого «лио» – растворяю; «филиа» - любовь). Системы термодинамически устойчивы. Дисперсная фаза в таких средах может подвергаться самопроизвольному диспергированию. Дисперсии некоторых глин; поверхностно-активные вещества (ПАВ); растворы высокомолекулярных веществ.
  2. Лиофобные (гидрофобные). Дисперсная фаза слабо взаимодействует с дисперсионной средой. («лио» - растворяю; «фобиа» - ненависть). Системы термодинамически неустойчивы и требуют специальных методов стабилизации. Золи металлов, лиозоли, аэрозоли, эмульсии, пены.

 

Примечания:

Опал – минерал подкласса гидроксилов SiO2·nH2O, образуется при коагуляции коллоидных растворов кремнезема. При потере воды превращается в халцедон. Слоистая форма халцедона – агат.

 

Силикагель – микропористое тело, получается при прокаливании геля поликремниевой кислоты, состоит из SiO2.

Методы конденсации.

Основаны на создании условий, когда будущая дисперсионная среда пересыщается веществом будущей дисперсной фазы.

Различают следующие методы.

Методы физической конденсации.

Методы диспергирования.

Диспергирование – тонкое измельчение твердых материалов или жидкостей и распределение их частиц в жидкой или газообразной среде.

В результате образуются порошки, суспензии, аэрозоли, эмульсии.

Механическое диспергирование.

Для получения коллоидных растворов этим методом производится растирание и дробление твердых тел в специальных машинах – коллоидных мельницах.

Первая коллоидная мельница сконструирована русским инженером К. Плауссоном (1920г.) – герметически закрытый, быстро вращающийся механизм ударного действия.

В основу действия машин-измельчителей положены принципы раздавливания, раскалывания, истирания, удара и т.д. – процесс ведут обычно в присутствии ПАВ.

Метод электрического распыления: через какую-либо дисперсионную среду (например, воду) пропускают электрический ток между электродами, изготовленными из материала, коллоидный раствор которого хотят получить – один электрод распыляется. Получают коллоидные растворы золота, серебра, платины и других металлов.

Ультразвуковое распыление: ультразвуковые волны с частотой от 20 тысяч до 1 млн. колебаний в секунду получают с помощью пьезоэлектрических осцилляторов.

Взвесь грубодисперсного вещества, подлежащего раздроблению, под действием ультразвуковых волн размельчается до коллоидного состояния.

Таким образом получают коллоидные растворы смол, гипса, графита, металлов, красителей, крахмала и т.д.

Хотя методы диспергирования все более совершенствуются, тем не менее для получения максимальной дисперсности 10-7, 10-9 м пригодны только методы конденсации (они к тому же менее энергоемкие).

В тоже время, диспергационные методы имеют более важное практическое значение.

Электрогидравлический удар – новый способ получения дисперсных систем, обеспечивающий высокую степень дисперсности при минимальных затратах времени.

Электрогидравлические технологии – результат фундаментальных и прикладных исследований, опытно-конструкторских разработок и опытно-промышленных проверок оборудования, проводимых Институтом импульсных процессов и технологий НАН Украины (г. Николаев). ИИПТ НАН Украины – единственная в мире организация, специализирующаяся на изучении физико-технических аспектов импульсных процессов и на создании импульсных технологий.

Метод пептизации.

Перевод осадка в золь путем обработки пептизаторами – растворами электролитов, ПАВ или растворителем. При пептизации не происходит изменения степени дисперсности частиц.

Результатом пептизации является разобщение частиц и распределение их по всему объему дисперсионной среды.

Различают два вида пептизации:

 

непосредственная или адсорбционная: на поверхности частиц перед их разделением адсорбируется непосредственно добавленный пептизатор. Характеризуется полным отсутствием каких-либо химических процессов между пепетизируемым веществом и пептизатором. посредственная или диссолюционная: охватывает все случаи, когда пептизация сопряжена с химической реакцией поверхностно расположенных молекул коллоидных частиц. На поверхности частиц адсорбируется продукт взаимодействия пептизатора с веществом дисперсной фазы (ионы вновь полученного пептизатора). Таким образом, процесс диссолюционной пептизации состоит из 2-х фаз: 1 – образование путем химической реакции растворимого электролита-пептизатора; 2 – адсорбционное взаимодействие коагеля с пептизатором, приводящее к образованию мицелл и пептизации геля.

 

Рассмотрим на примере: получим студенистый осадок гидроксида железа:

Непосредственная пептизация: действуем раствором . Ионы железа, адсорбируясь на поверхности частиц, сообщают им положительный заряд, одноименно заряженные частицы отталкиваются и переходят из осадка в раствор:

Посредственная пептизация: действуем разбавленной соляной кислотой. Часть молекул взаимодействует с с образованием хлороксида железа . Ионы вновь полученного пептизатора , адсорбируясь на поверхности частиц осадка , переводят его в коллоидное состояние:

Во многих случаях процесс пептизации имеет смешанный характер.

На пептизацию влияют: структура осадка, возраст осадка (коагеля), концентрация пептизатора, механическое воздействие, температура.

Свежеосажденные, сильно гидратированные осадки наиболее легко пептизируются. Процессы старения коагеля отрицательно влияют на его пептизируемость (по мере старения коагель уплотняется). У старых осадков способность к пептизации часто исчезает вовсе. Перемешивание благоприятствует пептизации. С повышением температуры скорость пептизации возрастает.

 

Броуновское движение.

Коллоидные частицы по молекулярно-кинетическим свойствам принципиально не отличаются от истинных растворов. Взвешенные в растворе частицы находятся постоянном беспорядочном тепловом движении (Броуновское движение – открыл в 1827 году английский ботаник Р.Броун, наблюдая как микроскопические частицы пыльцы и спор непрерывно и хаотично передвигаются в воде). При столкновении частиц происходит обмен количеством энергии и в результате устанавливается средняя кинетическая энергия, одинаковая для всех частиц. Молекулы (например, газа) движутся со скоростью сотни метров в секунду, коллоидные частицы размером 3-5 мкм - доли миллиметров в секунду, что обусловлено их гигантскими размерами.

Траектория движения частиц, зафиксированная с помощью кинематографической микросъемки имеет вид ломаной линии (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема перемещения частицы при

броуновском движении.

 

Средняя квадратичная величина всех смещений без учета направления движения равна:

- число смещений (число отрезков ломаной линии);

- отдельные проекции смещения частицы на ось х.

Элементарные исследования броуновского движения проводились Р. Зигмонди, Ж. Перреном, Т. Сведбергом, а теория этого движения была развита Эйнштейном и Смолуховским (1905).

Уравнеие Эйнштейна-Смолуховского для среднего квадратичного смещения частицы за время t при броуновском движении имеет вид:

- универсальная газовая постоянная;

- абсолютная температура;

- вязкость среды;

- радиус взвешенных частиц;

- постоянная Авогадро;

- время.

 

Из уравнения следует вывод – чем крупнее частица, тем меньше величина ее смещения.

Кроме поступательного движения частицы обладают также и вращательным движением.

Для вращательного броуновского движения частиц сферической формы среднее квадратичное значение угла вращения (угла поворота) составит:

Теория Эйнштейна получила многочисленные и неоспоримые доказательства.

Например, блестящим подтверждением теории являлись работы Ж. Перрена, который в своих опытах использовал сферические частицы мастики с точно известным радиусом 1 мкм. Измеряя на этом золе поступательное и вращательное движение частиц при известных значениях Т и h Перрен вычислил постоянную Авогадро NA=6,5×1023.

 

Диффузия

Диффузия – самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц по всему объему раствора или газа под влиянием теплового (или броуновского) движения.

Эйнштейн, изучая броуновское движение, установил связь коэффициента диффузии – D со средним сдвигом:

Эйнштейн показал, что коэффициент диффузии D связан с размерами диффундирующих частиц уравнением:

где – радиус сферических частиц, размер которых много больше, чем размер молекул растворителя.

 

Уравнение Эйнштейна для коэффициента диффузии является одним из основных в коллоидной химии: с его помощью можно вычислить размер частиц золей и молекулярную массу полимера. Для этого надо лишь экспериментально определить коэффициент диффузии. При этом измеряют скорость изменения концентрации в слоях раствора (концентрацию определяют чаще всего оптическими методами – показатель преломления, оптическая плотность раствора и др.).

Размерность D – м2/с.

При 20 0С: для сахарозы D=4,6×10-10 м2/с, для коллоидных частиц D=5×10-13 м2/с.

Физический смысл коэффициента диффузии следующий – коэффициент равен массе вещества, продиффундировавшего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации равном единице.

 

Явление рассеяния света.

Это наиболее характерное оптическое свойство для коллоидных систем. Свет рассеивается во всех направлениях.

Это явление наблюдал Фарадей (1857) при исследовании золя золота.

Описано явление Тиндалем в 1868 году.

Через чистые жидкости и молекулярные растворы свет просто проходит. Через коллоидно-дисперсные системы с размером частиц 10-7-10-9 см луч света, встречая на своем пути частицу, не отражается, как бы огибает ее, отклоняется и несколько изменяет свое направление (дифракция).

Чем меньше длина волны луча света, тем больше угол отклонения.

Тиндаль обнаружил, что при освещении коллоидного раствора ярким световым пучком путь его виден при наблюдении сбоку в виде светящегося конуса – конус Тиндаля.

 

Рис. 3.2. Наблюдение конуса Тиндаля.

 

Это явление названо – опалесценция (от цвета опала: молочно-голубой цвет) – матовое свечение, чаще всего голубоватого оттенка. Используется для идентификации коллоидных систем.

Опалесценцию следует отличать от флуоресценции – свечения истинных молекулярных растворов некоторых красителей в проходящем свете. Причинами флуоресценции является внутримолекулярное возбуждение.

Теория светорассеяния была разработана Рэллеем (1871г) для сферических, не проводящих электрического тока частиц (разбавленных систем).

Уравнение Рэллея имеет вид:

- интенсивность рассеянного света;

- интенсивность падающего света;

и - показатели преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды;

- концентрация в частицах (число частиц в единице объема);

- объем отдельной частицы;

- длина волны падающего света.

 

Из уравнения Рэллея следуют выводы:

1. При равенстве показателей преломления среды и частицы () обращается в нуль – рассеяние света отсутствует.

2. Чем меньше длина волны падающего света () тем больше будет рассеяние.

Если на частицу падает белый свет, то наиболее рассеиваются синие и фиолетовые компоненты (в проходящем свете раствор окрашен в красноватый цвет, в боковом отражении – в голубой).

Дисперсные системы прозрачны по отношению к длинноволновой области спектра (красная, оранжевая, желтая).

По отношению к коротковолновой части спектра (фиолетовой, зеленой, синей) – непрозрачны.

Цвет светофора хорошо просматривается в тумане (красный, оранжевый – цвета опасности).

Синюю лампу не видно с самолета (маскировка).

Голубое небо днем – рассеивание коротких волн солнечного света атмосферой земли.

Красный цвет неба на восходе и закате - наблюдается свет прошедший через атмосферу.

3. Максимальное светорассеяние происходит в системах с размером частиц <(2-4)·10-8 м, что соответствует коллоидной дисперсности.

При увеличении частиц до размера, превышающего длину волны – происходит уже отражение света. Исчезает опалесценция, появляется мутность. Та область размеров частиц, где интенсивность рассеянного света максимальна называется рэллеевской областью.

 

Рис. 3.3. Рассеяние света суспензией сульфата бария.

 

4. Уравнение Рэллея позволяет:

- если известен радиус () и объем () частицы, определить концентрацию ;

- если известна концентрация (), определить радиус () и объем () частицы.

Зависимость интенсивности рассеянного света от концентрации дисперсных частиц и их размеров используется в исследовательской и лабораторной практике.

Метод химического анализа, основанный на измерении интенсивности света, рассеянного дисперсной системой называется нефелометрией.

Для наблюдения коллоидных частиц обычные микроскопы не подходят. В 1903г. австрийский химик Р. Зигмонди, совместно с немецким физиком Зидентопфом создали специальный метод исследования – ультрамикроскопию. В ультрамикроскопе коллоидные растворы освещаются сбоку (боковое освещение) и наблюдаются в виде светящихся точек на черном фоне.

 

Строение мицеллы.

Согласно общепринятой мицеллярной теории строения коллоидных растворов, золь состоит из 2-х частей:

1. Мицелла – структурная коллоидная единица (частица дисперсной фазы), окруженная двойным электрическим слоем.

2. Интермицеллярная жидкость – дисперсионная среда, разделяющая мицеллы, в которой растворены электролиты, неэлектролиты и ПАВ.

 

Строение мицеллы может быть рассмотрено лишь в первом приближении, т.к. она не имеет определенного состава. В настоящее время нет возможности учесть влияния на строение мицеллы всех процессов, обусловленных сложными ионно-молекулярным взаимодействием на поверхности раздела двух фаз в растворе.

Рассмотрим, без учета влияния интермицеллярной жидкости, упрощенные схемы мицеллы иодида серебра, полученные по реакции:

 

AgNO3+KJ®AgJ¯+KNO3
избыток AgNO3 избыток KJ

Элементарная коллоидная частица – мицелла (4) – имеет следующее строение:

- в центре находится ядро (1), представляющее собой микрокристалл или агрегат из микрокристаллов; поверхность ядра обладает запасом свободной энергии и избирательно адсорбирует ионы из окружающей среды.

Правило Панета-Фаянса: на поверхности твердого тела предпочтительно адсорбируются ионы, способные достраивать его кристаллическую решетку или образующие с ионами, входящими в состав кристаллической решетки наиболее труднорастворимые соединения. Определяется это избытком тех или иных ионов.

- ядро вместе с потенциалопределяющими ионами образуют агрегат (2);

- после возникновения заряда агрегат начинает притягивать из раствора ионы с противоположным знаком (противоионы) – образуется двойной электрический слой;

- при этом, некоторые ионы очень прочно притягиваются к агрегату, образуя адсорбционный (плотный) слой противоионов. Агрегат вместе с противоионами плотного слоя составляет гранулу или частицу (3). Частица характеризуется двойным электрическим слоем, состоящим из потенциалопределяющих ионов и противоионов плотного слоя, алгебраическая сумма которых определяет заряд системы;

- противоионы не входящие в плотный слой и находящиеся на более далеком расстоянии от ядра образуют диффузный слой противоионов. Все вместе составляет мицеллу (4), электрический заряд которой равен нулю.

 

Коагуляция

Лиофобные коллоиды являются термодинамически неустойчивыми системами, существующими благодаря стабилизации за счет возникновения защитных ионных или молекулярных слоев. Следовательно, изменение состояния этих слоев может привести к потере устойчивости и затем к выделению дисперсной фазы.

Коагуляция - процесс слипания (слияния) коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов с последующей потерей кинетической устойчивости.

В общем смысле под коагуляцией понимают потерю агрегативной устойчивости дисперсной системы.

Скрытая стадия коагуляции – очень быстрая – размер частиц увеличивается, но осадок не выпадает – изменение окраски, помутнение.

Явная стадия – выпадение осадка, выделение двух фаз в растворе. Осадок называется коагулят.

Конечным итогом коагуляции могут быть два результата: разделение фаз и образование объемной структуры, в которой равномерно распределена дисперсионная среда (концентрирование системы). В соответствии с двумя разными результатами коагуляции различают и методы их исследования (для первого результата – оптические, например, для второго – реологические).

Основные процессы, которые могут происходить в дисперсных системах, показаны на рис. 5.1.

Из схемы видно, что понятие коагуляция включает в себя несколько процессов (флокуляция, коалесценция, агрегация, структурообразование), идущих с уменьшением удельной поверхности системы.

 

Рис. 5.1. Процессы, происходящие в дисперсных

системах.

 

Коагуляция может быть вызвана разными факторами:

- введением электролитов;

- нагреванием или замораживанием дисперсной системы;

- механическим воздействием;

- высокочастотными колебаниями;

- ультрацентрифугированием и др. факторами.

Наиболее важным и изученным является действие электролитов.

 

При коагуляции

Смеси электролитов при коагуляции золей редко действует независимо. Наблюдаемые при этом явления можно свести к трем следующим: аддитивность, антагонизм и синергизм электролитов. Указанные явления при использовании смесей электролитов приведены на рис.5.2.

Зависимость 1 – характеризует аддитивное действие электролитов. Коагулирующее действие в смеси определяют по правилу простого сложения:

KCl+KNO3; NaCl+KCl

Кривая 2 – антагонизм электролитов – содержание каждого электролита в смеси превышает его собственную пороговую концентрацию

Al(NO3)3+K2SO4; Ti(NO3)4+Na2SO4

Синергизм действия электролитов демонстрирует кривая 3. Усиливается действие каждого из электролитов – для коагуляции их требуется меньше в смеси, чем каждого по отдельности.

LiCl+CaCl2 действуют на гидрозоль H2S

               
   
 
 
 
   
g1
 
с1

 

 


Рис. 5.2. Совместное действие электролитов при

коагуляции.

 

 

Рис.5.5. Схемы взаимодействия коллоидных частиц

Состояние в: Малая высота барьера и неглубокий вторичный минимум: DUб@DUя£kT частицы вступают в ближнее взаимодействие, т.е. непосредственно соприкасаются – наступает коагуляция Состояние а: Характеризуется тем, что перекрываются диффузные слои и сохранены прослойки среды между частицами (гели). Энергетический барьер довольно высок [DUб=(5-10)kT] вторичный минимум неглубок: DUя³kT Взаимодействующие частицы не могут разойтись (удерживают силы притяжения) и не могут приблизиться вплотную (препятствуют силы отталкивания). Добавление электролита чаще всего приводит к коагуляции (уменьшается h). Состояние б: Высокий энергетический барьер DUб³kT и отсутствие или неглубокий вторичный минимум DUя£kT: Частицы не могут преодолеть барьер и расходятся без взаимодействия. Такая система агрегативно устойчива.

 

Дисперсная система агрегативно устойчива при высоком энергетическом барьере сил отталкивания.

Скорость коагуляции

Ход коагуляции в зависимости от концентрации коагулирующего электролита можно подразделить на две стадии: медленную и быструю.

               
 
 
   
 
   
Сэл
   
Ск – порог коагуляции
 

 


Рис.5.6. Зависимость скорости коагуляции от

Концентрации электролита

 

В области медленной коагуляции скорость сильно зависит от концентрации (отрезок АВ). В точке В скорость становиться постоянной и не зависит от концентрации электролита – здесь значение z - потенциала равно нулю – начало быстрой коагуляции. Концентрацию электролита, начиная с которой скорость коагуляции остается постоянной, называют порогом быстрой коагуляции.

Теории кинетики коагуляции разработаны Смолуховским (1916г).

Рассматривают коагуляцию как реакцию второго порядка, в элементарном акте которой участвуют две частицы: .

Уравнение Смолуховского для расчета числа частиц, слипшихся по m-штук за время t:

;

- первоначальное число частиц;

- время половинной коагуляции ().

При быстрой коагуляции все столкнувшиеся частицы реагируют (DUб=0).

Уравнение Смолуховского для константы скорости быстрой коагуляции:

;

где h- вязкость среды.

 

При медленной коагуляции не все столкновения приводят к слипанию. Уравнение Смолуховского для медленной коагуляции:

;

где Р – стерический множитель, учитывающий благоприятные пространственные расположения частиц при столкновении, их физические размеры. При быстрой коагуляции все столкновения эффективны и Р=1, при медленной Р<1.

DЕ – потенциальный барьер, при быстрой коагуляции DЕ=0, при медленной DЕ¹0.

h - вязкость.

Порог коагуляции можно вычислить из соотношения, теоретически найденного Дерягиным и Ландау и названным законом 6-й степени:

энергетический барьер между коллоидными частицами исчезает при достижении критической концентрации (g), которая обратно пропорциональна шестой степени заряда иона-коагулятора:

;

С – константа, зависящая от числа зарядов катиона и аниона;

e - диэлектрическая проницаемость раствора;

А – константа Ван –дер –Ваальсового притяжения;

е- заряд электрона;

k – константа Больцмана;

z– зарядность коагулирующего иона.

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-01-19; просмотров: 603; 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 - 54.196.27.171 (0.195 с.)