Колоїдні розчини. Будова колоїдних міцел

Колоїдна хімія

В С Т У П

 

Поверхневі явища, закономірності, яким вони підкоряються, властивості дисперсних систем, а також процеси, що в них відбуваються, вивчає колоїдна хімія. При цьому вона використовує як методи фізичної хімії, так і власні колоїдно-хімічні методи дослідження високодисперсних гетерогенних систем. Подібні системи широко зустрічаються у природі, побуті та різних галузях промисловості. Дослідження властивостей дисперсних систем дає можливість більш глибокого теоретичного розуміння структури речовин та суті багатьох природних і технологічних процесів. Зараз важко знайти галузь промисловості, де б не використовували колоїдні або інші високодисперсні системи.

Колоїдні системи спеціально створюють, використовують або вони виникають як побічні продукти технологічних процесів в усіх галузях металургійного виробництва. Руйнування колоїдних систем має велике значення при очищенні технологічної води та газів, що утворюються у процесі плавлення чорних та кольорових металів. Для грамотного управління технологічними процесами інженер-металург повинен знати закони, яким підкоряються дисперсні системи та тісно зв¢язані з ними поверхневі явища, що протікають на межі поділу фаз, уміти кількісно охарактеризувати та описати властивості цих систем.

Конспект лекцій складається з двох розділів, в яких викладені основні закономірності поверхневих явищ, будова колоїдних міцел та властивості дисперсних систем, що мають практичне значення для металургійної, вогнетривної та коксохімічної промисловості. На початку кожного розділу викладені основні визначення, закони, формули і рівняння, що потрібні для обчислення поверхневих явищ та властивостей дисперсних систем. Наведені приклади розв¢язання типових задач, запропоновані завдання для практичних занять і самостійної роботи студентів.

ПОВЕРХНЕВІ ЯВИЩА

 

 

Поверхневі явища супроводжують будь-які гетерогенні процеси, котрі лежать в основі металургійної, коксохімічної, вогнетривної та інших галузей промисловості.

За своїми фізико-хімічними властивостями поверхня поділу, на якій відбуваються гетерогенні процеси, різко відрізняється від властивостей внутрішніх областей обох межуючих фаз. Поверхневі молекули мають надлишкову енергію, яку називають поверхневою енергією. Саме вона і є причиною появи на межі поділу особливих поверхневих явищ, до яких відносяться адсорбція, поверхневий натяг, змочування.

 

Адсорбція

Адсорбція – це процес самочинної зміни концентрації одного з компонентів гетерогенної системи на поверхні поділу фаз.

Адсорбція може відбуватись на межі поділу різних гетерогенних систем: газ–тверде тіло, розчин–тверде тіло та газ–розчин. Величина адсорбції залежить від структури, питомої поверхні твердого адсорбенту, концентрації або тиску адсорбтиву, температури та інших чинників.

Тверді адсорбенти повинні мати велику питому поверхню

                                                  ,                                    (1.1)

де – це поверхня 1 г адсорбенту, м²/г; – cумарна поверхня даної маси (m) адсорбенту, м².

Питома поверхня твердого адсорбенту, який адсорбує газ, може бути розрахована за рівнянням           

                                     ,                          (1.2)

де – об¢єм газу, який повністю заповнює поверхню 1 г адсорбенту, м³; – число Авогадро, яке дорівнює 6,02^.10²³ молекул/моль; m – маса адсорбенту, г; 22,4^.10^-3 – об¢єм 1 моль газу, м³; S ₀ – площа, яку займає 1 молекула адсорбтиву, м².       

                                                  S₀ =  ,                               (1.3)

де - гранична адсорбція, моль/м².  

Кількісна залежність величини адсорбції від тиску або концентрації газу виражається ізотермою адсорбції Ленгмюра

                                                 ,                              (1.4)

або                                            ,                              (1.5)

де – величина адсорбції, що показує кількість речовини, адсорбованої одиницею поверхні адсорбенту або одиницею маси адсорбенту, кмоль/м³ (кмоль/г); - величина граничної адсорбції, що показує кількість речовини, адсорбованої одиницею поверхні або одиницею маси адсорбенту, яка відповідає повному заповненню усіх активних центрів, кмоль/м²  (кмоль/г); – рівноважний парціальний тиск адсорбтиву, Па; – рівноважна концентрація адсорбтиву, кмоль/м³; – константа адсорбційної рівноваги, м³ × Па/кмоль.

Гранична  адсорбція та константа адсорбційної рівноваги залежить від природи компонентів системи і не залежить від тиску (концентрації) адсорбтиву і температури.

 Математичною обробкою рівняння Ленгмюра можна перетворити у форму

                                              ^.  ,                          (1.6)

що є рівнянням прямої в координатах . Отримане рівняння дозволяє визначити граничну адсорбцію і константу адсорбційної рівноваги за допомогою графіка (рис.1.1). Відрізок, який відсікає пряма на осі ординат,  дозволяє визначити граничну адсорбцію, а кутовий коефіцієнт прямої  = tg  - константу адсорбційної рівноваги (tg .

 

 

                     

                                                           С                                                                                    

                                                                   

                        А           a   В

                                                                        

Рис. 1.1. Ізотерма адсорбції в координатах лінійної форми рівняння Ленгмюра

 

Залежність величини адсорбції від тиску виражає рівняння Фрейндліха

                                            ^. ,                                        (1.7)

де  і  – сталі величини для даного адсорбенту і адсорбтива при даній температурі.

Кількість речовини, адсорбованої з розчину 1 г адсорбенту, визначається за формулою                                      

                                                                              (1.8)                                  

де С₀ – початкова концентрація розчину, кмоль/м³; С – концентрація розчину після встановлення адсорбційної рівноваги, кмоль/м³; V – об¢єм розчину, з якого відбуваєтся адсорбція, дм³; m – маса адсорбенту, г.

Зв¢язок між надлишком адсорбтиву в поверхневому шарі (Г), концентрацією речовини (С) у розчині та його поверхневим натягом () на межі поділу газ – розчин при сталій температурі дається рівнянням Гіббса

                                                                    (1.9)

де -   - поверхнева активність речовини, Дж^.м/кмоль.

Якщо поверхневий натяг рідини збільшується при підвищенні концентрації, то > 0, a Г < 0. Тобто концентрація речовини в поверхневому шарі буде менша, ніж в  об¢ємі розчину. В системі відбувається негативна адсорбція. 

Якщо ж поверхневий натяг рідини зменшується при збільшенні концентрації, то < 0, а Г > 0. За цих умов концентрація речовини в поверхневому шарі буде більша, ніж в об¢ємі розчину, тобто відбувається позитивна адсорбція. Якщо поверхневий натяг рідини не залежить від концентрації речовини, то = 0 і Г = 0. Концентрація речовини в поверхневому шарі та в об¢ємі розчину буде однаковою. В системі адсорбція не відбувається.

При введенні у розчин поверхнево-активних речовин (ПАР) поверхневий натяг рідини зменшується. При незначних концентраціях ПАВ поверхневий натяг розчину зменшується прямо пропорційно до концентрації.

                                              ,                        (1.10)

де - зменшення поверхневого натягу розчину, Дж/м²;  і - відповідно поверхневий натяг чистого розчинника і розчину, Дж/м²; С – концентрація поверхнево-активної речовини, кмоль/м³; К – константа, Дж^.м/кмоль.

При відносно великих концентраціях ПАР зниження поверхневого натягу розчину з ростом концентрації описує емпіричне рівняння Шишковського

                                              ,                        (1.11)

де - константа, яка слабко залежить від природи поверхнево-активної речовини (однакова для даного гомологічного ряду), Дж/м²; -питома капілярна стала, що характерна для кожної ПАР, м³/кмоль.

Адсорбція  на  межі поділу розчин-газ  залежить  від  будови  і  розміру молекул ПАР. За правилом Дюкло-Траубе поверхнева активність водних розчинів гомологічного ряду граничних жирних кислот на межі поділу розчин-повітря тим вища, чим більша довжина вуглеводневого радикала. В середньому поверхнева активність кислоти збільшується в 3,2 рази на кожну групу – СН₂.

Серед теорій, що пояснюють механізм протікання процесу адсорбції, найбільш універсальною є теорія БЕТ, яка була розроблена в 1935-1940 рр. Брунауером, Емметом і Теллером. Для багатошарової адсорбції автори вивели рівняння ізотерми адсорбції

                                       ,                  (1.12)

де об¢єм адсорбованого газу, м³/г; об¢єм адсорбованого газу при заповненні поверхні адсорбенту суцільним мономолекулярним шаром адсорбтиву, м³/г;  і відповідно рівноважний тиск адсорбованого газу і тиск насиченої пари при даній температурі, Па; константа адсорбційної рівноваги.

 

Змочування

Явище змочування обумовлене величиною міжфазної вільної енергії і співвідношенням сил когезії та адгезії, діючих між фазами. Когезія – це сила притягання між однаковими молекулами фази. Адгезія – це сила, що діє між молекулами, які знаходяться в різних фазах.

Якщо молекули рідини взаємодіють з молекулами твердого тіла сильніше, ніж між собою, то переважає сила адгезії і рідина розтікається по поверхні твердого тіла, тобто змочує його.

Якщо ж молекули рідини взаємодіють одна з одною сильніше, ніж з молекулами твердого тіла, то переважає сила когезії і рідина не розтікається по поверхні твердого тіла.

Змочування твердого тіла рідиною характеризується крайовим кутом змочування (θ), який можна визначити за рівнянням Юнга

                                             соs θ =  ,                       (1.13)

де  - поверхнева енергія на межі поділу тверде тіло – газ, яка намагається розтягнути краплю уздовж поверхні твердого тіла; міжфазна поверхнева енергія на межі тверде тіло – рідина, яка намагається стягнути краплю; поверхневий натяг рідини.

Якщо , то тверде тіло буде змочуватись рідиною, крайовий кут змочування буде гострим. При повному змочуванні   θ = 0⁰, а соs θ = 1. Щоб рідина розтікалась і змочувала поверхню твердого тіла потрібно, щоб енергія системи зменшувалась.

Якщо , то рідина розтікатись не буде. При цьому крайовий кут змочування буде тупим. Рідина зовсім не змочує поверхню твердого тіла, якщо θ = 180⁰, а соs θ = 1.

На крайовий кут змочування впливає хімічна природа рідини, природа і структура поверхні твердого тіла, наявність тонких оксидних плівок на його поверхні, домішків, які забруднюють поверхню тощо.

На явищі вибіркового змочування засноване збагачення ряду корисних копалин: залізних руд, вугілля. Цей процес називається флотацією. Для збагачення руди використовують пінну флотацію, суть якої полягає в тому, що в суспензію мінералу (флотаційну пульпу) вводять бульбашки повітря. Спливаючи, бульбашки повітря збирають на своїй поверхні ті частинки руди, на якій вода утворює великий крайовий кут, тобто не змочує їх. В результаті на поверхні пульпи утворюється мінералізована піна, насичена частинками руди, що знімається спеціальним пристроєм. Частинки пустої породи добре змочуються водою і осідають на днище агрегату. Оптимальний розмір частинок руди при збагачуванні складає 0,01–0,15 мм. Таким чином, збагачування руди відбувається за рахунок різного змочування частинок руди і пустої породи.  

 

Розв ¢ язання типових задач

Задача 1. 50 см³ 0,2 н. розчину оцтової кислоти змішали з 5 г активованого вугілля. Після досягнення адсорбційної рівноваги на титрування 10 см³ розчину кислоти пішло 15 см³ 0,1 н. розчину NaOH. Визначте величину адсорбції кислоти 1 г активованого вугілля.

Розв¢язання. Величину адсорбції оцтової кислоти активованим вугіллям визначимо за рівнянням (1.8)

                                              ,

де С₀ і С – відповідно початкова концентрація і концентрація розчину після встановлення адсорбційної рівноваги, моль-екв/л; V - об¢єм розчину, з якого відбувається адсорбція, см³; m – маса адсорбенту, г.

Концентрацію розчину оцтової кислоти після встановлення адсорбційної рівноваги розрахуємо за рівнянням 

             моль-екв/л.

Підставимо в рівняння (1.8) числове значення і отримаємо

              моль-екв/г.

Таким чином, 1 г активованого вугілля адсорбує 5×10^-4 моль-екв оцтової кислоти.

Задача 2. При тисках 31 900, 130 500 і 290 000 Па величина адсорбції аргону коксовим вугіллям при 195 К становить 5,0; 15,4 та 24,0 мг/г. Визначте величину граничної адсорбції аргону та константу адсорбційної рівноваги в рівнянні Ленгмюра.

Розв¢язання. Визначимо сталі величини рівняння Ленгмюра графічним методом за допомогою рівняння (1.6)

                              ,

що є рівнянням прямої в координатах  

Для побудови графіка  розрахуємо величини  та .

                                                   

г/мг	0,2	0,06	0,04
10^5, 1/Па	3	0,7	0,3

Відрізок, який відсікає пряма на осі ординат,  дозволяє визначити величину граничної адсорбції: г/мг, тоді   мг/г.

Кутовий коефіцієнт прямої   дозволяє визначити константу адсорбційної рівноваги. Розрахуємо тангенс кута нахилу прямої

                 

За отриманими даними будуємо графік               

г/мг

   0,2 -                                               

                                                                                   

         -                                А

    0,1-

                                                

                    -     α                                

          С                         В

                     1,0      2,0           3,0                                                       

                                   

Рис. 1.2. Ізотерма адсорбції

 

Таким чином   звідки   Па^-1.

 

Задача 3. Визначте величину адсорбції масляної кислоти при 298 К на межі поділу водний розчин-повітря з концентрацією кислоти 0,15 кмоль/м³. Встановлено, що при концентраціях масляної кислоти 0,000; 0,021; 0,050; 0,104; 0,246 і 0,489 кмоль/м³ поверхневий натяг розчину дорівнює 0,074; 0,069; 0,064; 0,060; 0,051 і 0,044 Дж/м² відповідно.

Розв¢язання. Величину адсорбції масляної кислоти визначимо за рівнянням Гіббса (1.9)                 

де С – концентрація розчину, кмоль/м³; R – універсальна газова стала, дорівнює 8,31 Дж/моль^.К; Т – температура, К;  поверхнева активність, Дж^.м/кмоль.

Знайдемо поверхневу активність кислоти  графічним методом.

За експериментальними даними будуємо графік залежності поверхневого натягу розчину кислоти від її концентрації,  

 

       Дж/м²

     

                           80

 

                            70

 

                           50

 

                                         0,1                   0,5 С, кмоль/м³

Рис. 1.3 Залежність поверхневого натягу розчину від концентрації

 

До отриманої кривої через точку, яка відповідає заданій концентрації (0,15 кмоль/м³), проводимо дотичну. Поверхнева активність кислоти буде дорівнювати тангенсу кута нахилу цієї дотичної

       Дж^.м/кмоль.

Підставимо числові значення в рівняння (1.9) і отримаємо величину адсорбції.

               моль/м².

Задача 4. Який об¢єм аміаку адсорбується на поверхні 45 г активованого вугілля при 273 К і 1,013 Па, якщо при цьому уся поверхня вугілля повністю покривається NH₃. Поверхня 1 г активованого вугілля дорівнює 1000 м². Діаметр молекули NH₃ дорівнює 3×10^{-10 м} . Молекули газу торкаються одна одної в площині так, що центри чотирьох сусідніх сфер розташовуються в кутах квадрата.

Розв¢язання. Об¢єм адсорбованого газу розрахуємо за формулою (1.2)

                                    

де S _{пит .}- питома поверхня твердого адсорбенту, м²/г; m – маса адсорбенту, г; 22,4 л - об¢єм 1 моль газу за нормальних умов; число Авогадро, дорівнює 6,02×10²³ молекул/моль; площа, яку займає 1 молекула, м².

Визначимо площу, яку займає 1 молекула, за рівнянням

                        м².

Підставимо числові значення у формулу (1.2) та отримаємо об¢єм адсорбованого газу        

Таким чином, для повного покриття поверхні вугілля потрібно 18,6 л аміаку.

Задача 5. Використовуючи рівняння ізотерми адсорбції теорії БЕТ, розрахуйте об¢єм аргону, який адсорбується 1 г платинового каталізатора при 100 К і 120 Па.

 Тиск насиченої пари аргону 380 Па. Об¢єм аргону, що покриває поверхню каталізатора суцільним моношаром, дорівнює 0,2 см³/г, а константа адсорбційної рівноваги дорівнює 191.

Розв¢язання. Об¢єм адсорбованого аргону розрахуємо за рівнянням (1.12)

                      

де і - відповідно об¢єм адсорбованого газу та об¢єм газу при утворенні на поверхні адсорбенту суцільного мономолекулярного шару адсорбтиву, см³/г; і відповідно рівноважний тиск адсорбованого газу і тиск насиченої пари газу при даній температурі, Па; константа адсорбціиної рівноваги.

  Підставимо у рівняння числові значення

                         см³/г.

Таким чином, при 100 К та 120 Па 1 г платинового каталізатора адсорбує 0,289 см³ аргону.

 

Задачі для практичних занять, самостійної роботи

(домашніх завдань) та контрольних робіт

1. Визначте величину адсорбції азоту на цеоліті при рівноважному тиску 100 Па, якщо гранична адсорбція дорівнює 36,9×10^-9 кг/кг, а константа адсорбційної рівноваги – 0,156 Па^-1.

2. При тисках 665, 1333, 3990, 9970, 13300 і 26600 Па адсорбція вуглекислого газу на цеоліті при 293 К дорівнює відповідно 0,086; 0,112; 0,152; 0,174; 0,178 та 0,188 кмоль/кг. Використовуючи графічний метод, визначте граничну адсорбцію та константу адсорбційної рівноваги в рівнянні Ленгмюра.

3. Розрахуйте величину граничної адсорбції азоту на цеоліті при рівноважному тиску 100 Па, якщо за цих умов величина адсорбції складає 34,68×10^-9 кг/кг, а константа адсорбційної рівноваги дорівнює 0,156 Па^-1.

4. При тисках 6650, 13300, 19250, 26000, 39900 і 66500 Па адсорбція етану на цеоліті при 298 К відповідно дорівнює 0,0020; 0,00237; 0,00253; 0,00263; 0,00277 та 0,00284 кмоль/кг. Використовуючи графічний метод, визначте граничну адсорбцію та константу адсорбційної рівноваги в рівнянні Ленгмюра.

5. При тисках 6650, 13300, 26600, 39900 і 53200 Па адсорбція вуглекислого газу на активованому вугіллі при 291 К відповідно дорівнюють 0,070; 0,091; 0,102; 0,107 та 0,108 кмоль/кг. Визначте граничну адсорбцію та константу адсорбційної рівноваги в рівнянні Ленгмюра.

6. Використовуючи рівняння ізотерми адсорбції теорії БЕТ, розрахуйте об¢єм криптону, який був адсорбований при 77,5 К і 91,23 Па 1 г срібного каталізатора. Адсорбція багатошарова. Тиск насиченої пари криптону 342,64 Па; об¢єм, який займає суцільний моношар газу, дорівнює 0,146 см³/г; константа рівняння – 136.

7. Константи рівняння Шишковського для водного розчину валеріанової кислоти при 273 К α =14,72×10^-3 Дж/м²; b = 10,4 м³/кмоль. Концентрація розчину становить 0,4 кмоль/м³. Визначте поверхневий натяг розчину, якщо поверхневий натяг води за цих умов дорівнює 75,5×10^-3 Дж/м².

8. Визначте, який об¢єм аміаку при 273 К і 1,013×10⁵ Па може адсорбуватись на поверхні 50 г активованого вугілля, якщо уся його поверхня буде повністю вкрита аміаком. Поверхня 1 г вугілля займає 1000 м², діаметр молекули аміаку дорівнює 3×10^{-10 м.} Молекули торкаються одна одної в площині так, що центри чотирьох сусідніх сфер знаходяться в кутах квадрата.

9. 25 см³ 0,3 н. розчину оцтової кислоти змішали з 3 г активованого вугілля. Після досягнення адсорбційної рівноваги на титрування 5 см³ розчину кислоти пішло 10 см³ 0,05 н. розчину NaOH. Визначте величину адсорбції оцтової кислоти на поверхні 1 г вугілля.

10. Використовуючи рівняння адсорбції Фрейндліха, побудуйте ізотерму адсорбції вуглекислого газу на активованому вугіллі при 313 К в інтервалі тиску від 300 до 2000 Па, якщо константи рівняння К = 0,024 кмоль/м² × Па; n = 0,4.

11. Розрахуйте площу, яку займає 1 молекула аніліну на поверхні поділу водний розчин-повітря, якщо гранична адсорбція аніліну дорівнює 6×10^-9 кмоль/м².

12. Розрахуйте площу, яку займає 1 молекула ізомасляної кислоти на поверхні поділу водний розчин-повітря, якщо гранична адсорбція кислоти становить 5,48×10^-6 моль/м².

13. Визначте об¢єм водню при 273 К і 1,013×10⁵ Па, який адсорбується 100 мл адсорбенту, що має питому поверхню 850 м²/мл. Причому, тільки 95% усієї поверхні адсорбенту є активною. Діаметр молекули водню дорівнює 27 нм. Адсорбція моношарова. Адсорбовані молекули торкаються одна одної в площині так, що центри чотирьох сусідніх сфер розташовуються в кутах квадрата.

14. Концентрація водного розчину ізомасляної кислоти при  291 К дорівнює   0,5    кмоль/м³.   Поверхневий  натяг  розчину   складає   17,43×10^-3 Дж/м², а води 72,5×10^-3 Дж/м². Визначте константу α в рівнянні Шишковського, якщо b = 19,6 м³/кмоль.

15. 2 г перліту при 273 К і 1,013×10⁵ Па адсорбує на своїй поверхні 0,3 л кисню, що покриває поверхню адсорбенту суцільним мономолекулярним шаром. Визначте площу, яку займає 1 молекула кисню, якщо питома поверхня перліту складає 600 м²/г.

16. Концентрація водного розчину валеріанової кислоти дорівнює 0,5 кмоль/м³. Поверхневий натяг розчину складає 50,3×10^-3 Дж/м², а води 75,5×10^-3 Дж/м². Розрахуйте константу b в рівнянні Шишковського, якщо константа α дорівнює 13,52×10^-3 Дж/м² при 273 К.

17. Використовуючи рівняння ізотерми адсорбції теорії БЕТ, розрахуйте об¢єм криптону, що покриває поверхню платинового каталізатора в один шар, якщо при 65,46 Па каталізатор адсорбує 0,41 см³/г газу (адсорбція багатошарова). Тиск насиченої пари криптону дорівнює 342,46 Па, константа адсорбційної рівноваги дорівнює 150.

18. Константи рівняння Шишковського для водного розчину ізомасляної кислоти при 291 К дорівнюють α = 23×10^-3 Дж/м²; b = 19,6 м³/кмоль. Поверхневий натяг води за цих умов становить 72,5×10^-3 Дж/м². Визначте, при   якій  концентрації  поверхневий  натяг  розчину  дорівнюватиме 60×10^-3 Дж/м².

19. Визначте, який об¢єм кисню при 273 К і 1,013×10⁵ Па зможе адсорбувати 100 г перліту, якщо активна поверхня адсорбенту складає 75 %, а кисень адсорбується мономолекулярним шаром. Поверхня перліту дорівнює 600 м² / г, діаметр молекули кисню 0,387 нм. Молекули кисню торкаються одна одної в площині так, що центри чотирьох сусідніх сфер розташовуються в кутах квадрата.

20. Розрахуйте граничну адсорбцію газу на поверхні твердого адсорбенту, якщо при рівноважному тиску 200 Па поверхня твердого адсорбенту адсорбує 52,6×10^-6 кг/кг газу. Константа адсорбційної рівноваги становить 0,2 Па^-1.

21. 50 г активованого вугілля при 273 К і 1,013^×10⁵ Па адсорбує 15,2 л аміаку. Який відсоток поверхні вугілля працює активно, якщо його поверхня складає 1000 м²/г, а діаметр молекули аміаку дорівнює 0,3 нм. Молекули аміаку торкаються одна одної в площині так, що центри чотирьох сусідніх сфер розташовуються в кутах квадрата. Адсорбція багатошарова.

22. Об¢єм азоту при 273 К і 1,013×10⁵ Па, необхідний для покриття 1 г силікогелю мономолекулярним шаром, дорівнює 129 мл. Розрахуйте питому площу силікагелю, якщо молекула азоту займає площу 16,2×10^{-20 м2} .

23. Концентрація водного розчину валеріанової кислоти дорівнює 0,4 кмоль/м³. Поверхневий натяг розчину складає 51,33×10^-3 Дж/м², а води 75,5×10^-3   Дж/м². Розрахуйте константу α в рівнянні Шишковського при 273 К, якщо b = 10,4 м³/кмоль.

24. Використовуючи рівняння ізотерми адсорбції теорії БЕТ, розрахуйте питому поверхню срібного каталізатора, якщо при 77,5 К і 91,23 Па на ньому адсорбується 0,195 см³/г криптону. Площа, яку займає 1 молекула криптону, дорівнює 19,5×10^{-20 м2} , густина криптону складає 3,74 г/л, а тиск насиченої пари криптону 342,64 Па. Константа адсорбційної рівноваги дорівнює 136. Адсорбція багатошарова. Молярна маса криптону складає 83,8 г/моль.

25. Константи рівняння Шишковського для водного розчину ізомасляної кислоти при 291 К дорівнюють α = 23×10^-3 Дж/м², b = 19,6 м³/кмоль. Поверхневий натяг води за цих умов становить 72,1×10^-3 Дж/м². Розрахуйте поверхневий натяг розчину при концентрації 0,5 кмоль/м³.

26. Розрахуйте питому поверхню каталізатора, 1 г якого при утворенні моношару адсорбує 103 см³ азоту при Т = 273 К і Р = 1,013×10⁵ Па. Площа, яку займає 1 молекула азоту, дорівнює 16,2×10^{-20 м 2} .

27. Гранична адсорбція стеаринової кислоти на поверхні сталі становить 2×10^-9 кг/кг. Площа, яку займає 1 молекула кислоти, дорівнює 0,2×10^{-18 м 2} . Молярна маса С₁₇Н₃₅СООН становить 284 г/моль. Визначте питому поверхню сталі.

28. Поверхневий натяг 0,1 М розчину ізомасляної кислоти дорівнює 47,5×10^-3 Дж/м², а води – 72,5×10^-3 Дж/м² при 291 К. Визначте поверхневу активність кислоти за цих умов.

29. Питома поверхня силікогелю дорівнює 760 м²/г. Діаметр молекули аміаку дорівнює 3×10^{-8 см} . Визначте максимальний об¢єм аміаку, який покриє поверхню силікогелю суцільним мономолекулярним шаром.

30. При 24 ⁰С поверхнева активність 0,1 кмоль/м³ розчину олеїновокислого натрію дорівнює 1,03 Дж^..м/кмоль. Розрахуйте величину адсорбції цієї речовини на поверхні поділу розчин-повітря.

 

Багатоваріантна задача

За експериментальними даними, отриманими при 298 К (табл.1.1), побудуйте графік залежності поверхневого натягу масляної кислоти () від концентрації (С).

Визначте поверхневу активність і адсорбцію масляної кислоти на поверхні поділу розчин-повітря при концентрації С_Х (табл.1.2).

Таблиця 1.1

Залежність поверхневого натягу розчину масляної кислоти від концентрації

, Дж/м^2	74,01	69,51	64,30	63,70	59,58	56,41	51,09	47,21	44,92	44,10
С, кмоль/м^3	0,000	0,021	0,050	0,060	0,104	0,160	0,246	0,350	0,450	0,489

 

Таблиця 1.2

Варіанти концентрацій кислоти, при яких  визначається  величина адсорбції

Варіант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
СХ, кмоль/м^3	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,10	0,12	0,14
Варіант	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
СХ, кмоль/м^3	0,16	0,18	0,19	0,20	0,21	0,22	0,23	0,24	0,25	0,26
Варіант	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
СХ, кмоль/м^3	0,27	0,28	0,30	0,32	0,34	0,35	0,36	0,37	0,38	0,40

                          

 

 

ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ

 

Дисперсні системи – це гетерогенні системи з високим ступенем дисперсності частинок. Вони різноманітні за своєю природою, мають різні властивості і складаються з двох або більше фаз. Якщо система двокомпо- нентна, то один з компонентів називається дисперсною фазою, а другий – дисперсійним середовищем. До дисперсних систем відносяться суспензії, аерозолі, емульсії, піни, порошки, колоїдні розчини та інші.

 

Навчальне видання

Шевченко Галина Іванівна

Голуб Ірина Валеріївна

Чінчаєва Валентина Павлівна

ФІЗИЧНА ХІМІЯ

Розділ “Поверхневі явища та дисперсні системи”

Навчальний посібник

 

Тем. План 2007, поз. 12

 

 

        

Підписано до друку 20.06.07. Формат 60х84 _1/16. Папір друк. Друк плоский. Облік.-вид. арк. 3,11. Умов. друк. арк. 3,07. Тираж 100 пр. Замовлення №

 

Національна металургійна академія України

49600, м. Дніпропетровськ-5, пр. Гагаріна, 4

Редакційно-видавничій відділ НМетАУ

Колоїдна хімія

В С Т У П

 

Поверхневі явища, закономірності, яким вони підкоряються, властивості дисперсних систем, а також процеси, що в них відбуваються, вивчає колоїдна хімія. При цьому вона використовує як методи фізичної хімії, так і власні колоїдно-хімічні методи дослідження високодисперсних гет