Методические указания к изучению дисциплины «Коллоидная химия»
для студентов специальностей 5В072000 - Химическая технология неорганических веществ, 5В072100 - Химическая технология органических веществ
Методические указания по темам курса
-
Введение
Для уяснения содержания науки коллоидная химия и представления объектов ее исследования студенту необходимо уяснить понятия «Коллоидная система», являющегося аналогом понятия «Дисперсная система».
Основные свойства типичной коллоидной системы - это ее гетерогенность и высокая дисперсность. Мельчайшими частицами образования -мицеллы (агрегаты из множества молекул). Эти частицы могут быть капельками жидкости или маленькими кристаллами вещества или пузырьками газа находящимися в разных средах и образующими с ней поверхность раздела фаз. Любая поверхность раздела фаз обладает свободной поверхностной энергией, так как межмолекулярные силы сцепления в пограничных фазах неодинаковы. Для высокодисперсных систем
свободная поверхностная энергия очень велика – характерное свойство дисперсных систем, проявляющееся в большинстве коллоидно-химических явлений.
Коллоидная химия - это наука о свойствах гетерогенных высокодисперсных систем и протекающих в них процессах. К процессам, происходящим на поверхности раздела фаз относятся: адсорбция, коагуляция (слипание частиц), гетерокоагуляция, образование пленок на поверхности раздела фаз, образование объемных структур и др.
Классификация дисперсных систем возможна по разным признакам: по размеру частиц, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по характеру взаимодействия между дисперсной фазой и средой, взаимодействию между частицами (связнодисперсные и свободнодисперсные), по величине свободной межфазной энергии (на границе частица-среда: лиофобные и лиофильные). Знакомясь с ней по учебнику, обратите внимание на огромное разнообразие реальных дисперсных систем. Внешне различные системы, такие как порошки, туманы, пены, суспензии, эмульсии, золи, дымы объединены общими характерными признаками: все они гетерогенны, с большой удельной поверхностью дисперсной фазы и, соответственно с большим запасом свободной поверхностной энергии.
Растворы ВМС в плохих растворителях содержат макромолекулы, свернутые в компактные клубки, представляющие по существу отдельную фазу. Такие растворы относят к коллоидным системам.
-
Адсорбция
Существует различать адсорбцию на следующих границах раздела фаз: газ/твердое тело, газ/жидкость, жидкость/твердое тело.
Адсорбент, Адсорбат, Адсорбтив
Количественно адсорбцию можно характеризовать с помощью изотермы, изостеры, изопикны:
Анализ изотермы: Г=f(C); Г=f(p) где Г- адсорбция;
С- равновесная концентрация;
р- равновесное давление.
I - при малых С и р зависимость Г- линейная
II - адсорбция идет эффективней десорбции
III- адсорбция не зависит от изменения С (р).
По механизму адсорбция бывает физическая и химическая
Следует различать понятия абсолютной и избыточной адсорбции:
1. Абсолютная адсорбция (А) это количество адсорбата на единицу поверхности адсорбента.
А= υn/Sn= υnh/Sn=Cnh где υn- количество молей (1)
Sn- площадь
h- высота
2. Избыточная (гиббсовская) адсорбция (Г)
Это избыток вещества в поверхностном слое по сравнению с таким же по толщине слоем в объемной фазе
Г= ∆ υn/Sn=∆ υnh/Sn=(Cn-Cф)h= А-Сфh (2)
Сф- молярная концентрация вещества в объемной фазе.
Существует несколько теорий адсорбций:
I Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра
-
Адсорбция вызвана валентными силами.
-
Адсорбция предельная (Г∞), мономолекулярная (толщина адсорбционного слоя- 1 молекула)
-
Между адсорбирующимися молекулами отсутствует боковая когезия)
Необходимо знать вывод уравнения Лэнгмюра
Г= Г∞Кр/(1+Кр) (3)
II Теория полимолекулярной адсорбции Поляни.
-
Адсорбция обусловлена физическими силами.
-
Адсорбция полимолекулярна.
-
Адсорбирующие силы исходят от всей поверхности адсорбента (образуя непрерывное силовое поле)
-
Строительство второго и третьего слоев может начаться при незаконченном первом.
III Теория БЭТ ( Брунауэр, Эммет, Теллер)
Хорошо описывает адсорбцию паров веществ на твердых гладких и пористых адсорбентах. По этой теории на активных стенках адсорбента при определенных условиях могут образоваться полимолекулярные слои. Количество адсорбируемого вещества рассчитывают по уравнению:
Г= Г∞κ(р/рs)/(1-р/рs)[1+р(κ -1)/рs] (4)
где р- равновесное давление пара в окружающем пространстве
рs-давление насыщенного пара
κ – константа
Устойчивость и коагуляция дисперсных систем.
Под устойчивостью дисперсной системы понимают ее способность сохранять во времени: а) средний размер частиц; б) их равномерное распределение в фазе.
Выделяют два типа неустойчивости:
-
агрегативная- проявляется в агрегации ( коагуляции, коалисценции) частиц;
-
седиментационная- постепенное оседание частиц под действием силы тяжести, что нарушает в итоге равномерность распределения частиц. Скорость сидементации больше скорости диффузии.
Факторы устойчивости дисперсных систем
-
Электростатический фактор – наличие ДЭС на твердой поверхности позволяет частицам сохранять размеры.
-
Адсорбционно- сольватный. Адсорбция ПАВ на поверхности частиц приводит к тому, что гидрофильные группы ориентируются к молекулам растворителя (Н2О) образуя в совокупности развитый адсорбционно-сольватный слой.
Эмульсии: особенности проблемы устойчивости. Тип эмульсии.
До сих пор, в основном, имелись в виду системы вида Т/Ж (золи, суспензии). Теперь пора рассмотреть устойчивость эмульсий. Здесь заслуживают внимания два дополнительных аспекта. Первый связан с тем, что эмульсии могут быть прямыми и обратными. Поэтому неустойчивость, например, прямой эмульсии может проявляться двумя способами- не только путем слияния капель (коалесценции), но и путем превращения в обратную эмульсию. Вторая особенность- наличие эмульгаторов- веществ, резко повышающих устойчивость эмульсий.
Обращаясь к первой особенности, обсудим вначале чисто технический, но практически важный вопрос о том, как определить тип эмульсии.
В частности, при смешивании масла с водой в присутствии эмульгатора образуется либо прямая (М/В- капли масла в воде), либо обратная (В/М- капли воды в масле) эмульсия.
Вот три простейших метода идентификации типа эмульсии:
-
Микроскопия
-
Смешивание
-
Смачивание гладкой поверхности
.
Основная литература
1. Воюцкий С. С. «Курс коллоидной химии», 2 изд., М., 1975 г.
2. Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. М.: Агар; 2003, 320 с.
3. Лабораторные работы по коллоидной химии под ред. Ю. Г. Фролова, М., МХТИ им. Менделеева. 1986 г. вып. 3, 216 с.
4. Мушкамбаров Н.Н. Физическая и коллоидная химия. М., Гэотар-мед, 2002 г. 378с.
5. Фролов Ю. Г. «Курс коллоидной химии» М., Химия, 1982 г.
Дополнительная литература
6. Григоров О. Н., др. «Руководство к практическим работам по коллоидной химии» изд.Химия М–Л, 1964 г.
7.Омарова К. И., др.. «Метод. разработка к лабораторным работам по коллоидной химии: Алма-Ата, 1985 г.
8. Фридрихсберг Д. А. «Курс коллоидной химии» Л., Химия, 1974.
9. Щукин Е. Д., Перцев А. В., Амелина Е. А. «Коллоидная химия»
МГУ,1982 г.
Достарыңызбен бөлісу: |