Что изучает коллоидная химия. Физическая и коллоидная химия. Основные понятия и определения
Читайте также
УО «ОРШАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»
ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
по изучению дисциплины и выполнению контрольных заданий для учащихся-заочников учреждений, обеспечивающих получение среднего специального образования по специальности 2«Технология хранения и переработки животного сырья (по направлению: мясо и мясные продукты)»
Орша 2010
Пояснительная записка………………………………………………………………………...3
Введение………………………………………………………………………………………...4
Раздел 1 Физическая химия……………………………………………………………………5
1.1 Агрегатные состояния веществ……………………………………………………………5
1.2 Основы химической термодинамики……………………………………………………..5
1.3 Термохимия…………………………………………………………………………………6
1.4 Фазовые равновесия………………………………………………………………………..7
1.5 Растворы…………………………………………………………………………………….7
1.6 Основы химической кинетики…………...………………………………………………..8
1.7 Катализ…………………………………….………………………………………………..9
Раздел 2 Коллоидная химия…………………………………………………………………...9
2.1 Поверхностные явления……………………………………………………………………9
2.2 Адсорбция…………………………………………………………………………………...9
2.3 Коллоидные системы……………………………………………………………………..10
2.4 Грубодисперсные системы……………………………………………………………….12
2.5 Высокомолекулярные соединения и их растворы………………………………………13
Список литературы……………………………………………………………………………17
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Рекомендации подготовлены для выполнения домашней контрольной работы учащимися 1 (первого) курса 2-го семестра уровня среднего специального образования по специальности 2«Технология хранения и переработки животного сырья», направление специальности 2«Технология хранения и переработки животного сырья (мясо и мясные продукты)», квалификации «Техник-технолог» по дисциплине «Физическая и коллоидная химия ».
Промоторы (активаторы) – вещества ускоряющие активность катализатора. Ингибиторы - вещества замедляющие активность катализатора. Катализ бывает гомогенный и гетерогенный.
РАЗДЕЛ 2 Коллоидная химия
Коллоидная химия – это наука о коллоидах и поверхностях. Она изучает системы: грубодисперсные (частицы > 1мкм) и высокодисперсные (от1мкм до 1 нм).Дисперсные системы гетерогенны и состоят из 2 и более фаз:дисперсной фазы и дисперсной среды. Например: Т /Ж - золи, суспензии, Ж/Ж - эмульсии, Г/Ж - газовые эмульсии, пены….
2.1 Поверхностные явления
К поверхностным явлениям относят те эффекты и особенности поведения веществ, которые
наблюдаются на поверхности раздела фаз. Причиной поверхностных явлений служит особое состояние молекул в слоях жидкостей и твердых тел, непосредственно прилегающих к поверхностям раздела. Эти слои резко отличаются по многим характеристикам (плотности, вязкости, электрической проводимости…). Изучение взаимодействий в поверхностных слоях необходимо для развития многих областей науки и практики, начиная от выяснения механизмов атмосферных явлений и кончая технологией моющих, клеящих, косметических средств. В производстве лекарств большую роль играют такие поверхностные явления как адсорбция, смачивание, адгезия, когезия.
Адгезия (прилипание) - это молекулярное притяжение между поверхностями двух соприкосающихся разнородных твердых или жидких фаз.
Когезия – сцепление однородных молекул, атомов или ионов, которое включает все виды межмолекулярного и межатомного притяжения внутри одной фазы. Твердые и жидкие состояния обладают большой когезией, газы – малой.
2.2 Адсорбция
Процессы поглощения газов или растворенных веществ твердыми материалами или жидкостями могут протекать по разным механизмам и носят общее название сорбции. Вещества- поглотители, называются сорбентами, поглощаемые газы или растворенные вещества - сорбатами.
Адсорбцией называется самопроизвольное концентрирование на твердой или жидкой поверхности раздела фаз вещества с меньшим поверхностным натяжением. Адсорбируемое вещество называют адсорбат . Адсорбирующее - адсорбент . Адсорбция является чисто поверхностным процессом, который заключается во взаимодействии молекул или ионов адсорбата с поверхностью адсорбента за счет сил Ван –дер –Ваальса, водородных связей, электростатических сил. Скорость такого
процесса велика, и адсорбция происходит мгновенно, если поверхность адсорбента легко доступна для молекул адсорбата. В пористых адсорбентах адсорбция протекает медленнее и с тем меньшей скоростью, чем тоньше поры адсорбента.
Избыток или недостаток растворенного вещества в поверхностном слое, отнесенный к единице поверхности, обозначают через Г, называют гиббсовой адсорбцией . Если Г > 0, то адсорбция положительна, это характерно для ПАВ. Если Г< 0 ,то адсорбция отрицательна, это характерно для ПИВ (поверхностно инактивных веществ).
Положительной адсорбцией называют адсорбцию, сопровождающуюся накоплением растворенных веществ в поверхностном слое.
Отрицательной – адсорбцию, сопровождающуюся вытеснением растворенного вещества из поверхностного слоя внутрь среды. Практическое значение имеет только положительная адсорбция.
Не пористые адсорбенты обладают наружной поверхностью, а пористые – внутренней.
Типы промышленных адсорбентов:
Углеродные (активированный уголь, углеродные волокна, графит, ткань…)
Минеральные (силикогель, глины).
2.3 Коллоидные системы
Классификация дисперсных систем:
1. По размеру частиц: - грубодисперсные (взвеси, суспензии, эмульсии, порошки)
Коллоидно-дисперсные (золи)
Молекулярные и ионные растворы
2. По агрегатному состоянию: Ж/Г – туман, аэрозоли ..
Т/Г - дым, пыль..
Г/Ж – пены, газовые эмульсии..
Ж/Ж - молоко..
Т/Ж – суспензии…
Г/Т – твердые пены, хлеб, пемза…
Ж/Т – жемчуг, гели…
Т/Т – цветные стекла, минералы, сплавы…
Г/Г – не существует, т. к. является гомогенной молекулярной, в ней нет границы раздела.
Золи –высокодисперсные коллоидные растворы, относящиеся к системе Т/Ж.
Гидрозоли – это золи у которых дисперсная среда –вода.
Органозоли – коллоидный раствор у которого дисперсная среда - органическая жидкость.
Аэрозоли –золи с газообразной средой.
Лиозоли – золи с жидкой средой.
3. По наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсных фаз:
свободно-дисперсные - аэрозоли, лиозоли, эмульсии
связано-дисперсные - гели, студни, пены
4. По степени взаимодействия фазы и среды: лиофильные (сильно выражено взаимодействие), иофобные (слабо выражено взаимодействие)
Свойства коллоидных систем:
Броуновское движение. С увеличением размера частиц прекращается поступательное броуновское движение, затем исчезает вращательное и остается колебательное.
Диффузия - самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц по всему объему раствора или газа под влиянием теплового движения.
Осмотическое давление
Седиментация – процесс оседания частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием сил тяжести. Обратная седиментация – всплывание частиц.
Вязкость – внутреннее трение между слоями данного вещества, движущимися относительно друг друга. Она зависит от температуры: с повышением температуры вязкость уменьшается
Текучесть – свойство противоположное вязкости.
Оптические свойства: а) рассеивание света. В коллоидных растворах светорассеивание проявляется в виде опалесценции – матового свечения, чаще всего голубоватых оттенков, при боковом освещении золя на темном фоне. В прямом свете он может иметь красновато-желтую окраску.
б)поглощение света. Каждая среда в зависимости от своих свойств избирательно поглощает определенную часть падающего света Светопоглощение в коллоидных растворах осложняется зависимостью поглощения от дисперсности. Чем меньше размер частиц золя, тем сильнее поглощаются более короткие волны. Белые золи света не поглощают.
Методы получения коллоидных растворов:
Конденсационный – укрупнение частиц при агрегации молекул или ионов. Он основан на образовании в гомогенной среде новой фазы, имеющую коллоидную дисперсность. Общим условием образования новой фазы является перенасыщение раствора или пара. При этом образуются агрегаты из нескольких молекул, которые и становятся зародышами новой фазы. Роль зародышей могут выполнять имеющиеся или вносимые центры кристаллизации - пылинки, не большие добавки готового золя. Чем больше число центров кристаллизации и меньше скорость роста кристаллов, тем выше дисперсность получаемых золей.
Диспергирования – измельчение крупных частиц до коллоидной дисперсности. Методы измельчения: механический (дробление с помощью мельниц) и физико-химические или пептизация (свежий осадок переводят в золь путем обработки пептизаторами: р-ром электролита, р-ром ПАВ или растворителем).
Методы очистки коллоидных растворов:
-диализ – извлечение из золей низкомолекулярных веществ чистым растворителем с помощью полупроницаемой перегородки, через которую не проходят коллоидные частицы. Растворитель постоянно или периодически меняется, следовательно удаляются примеси. Недостаток метода в большой длительности процесса (недели, месяцы).
-электродиализ - процесс диализа, ускоренный путем применения электрического тока. Используют прибор электродиализатор. Очистка идет быстро (минуты, часы)
Компенсационный диализ – вместо чистого растворителя используют растворы определяемых низкомолекулярных веществ разной концентрации.
- вивидиализ используют для прижизненного определения в крови низкомолекулярных составных частей. Для проведения анализа в концы перерезанного кровеносного сосуда вставляют стеклянные канюли, разветвленные части которых соединены между собой трубками из полупроницаемого материала, и всю систему помещают в сосуд, заполненный физ. раствором соли или водой. Таким образом, было установлено, что в крови кроме свободной глюкозы есть и свободные амино-кислоты. Этот принцип был использован при создании аппарата «искусственной почки».
-ультрафильтрация – фильтрование раствора через полупроницаемую мембрану, пропускающую
дисперсную среду с примесями и задерживающую дисперсную фазу. В качестве мембраны используют целлофан, пергамент, асбест, керамические фильтры. Метод позволяет разделять коллоидные частицы на фракции.
2.4 Грубодисперсные системы
Размер частиц 1м. Частицы можно наблюдать в световой микроскоп, поэтому их называют микрогетерогенными. К ним относятся с газообразной средой – аэрозоли, порошки, а с жидкой средой – суспензии, эмульсии, пены.
Аэрозоли – система с газообразной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой. Они образуются при взрывах, дроблении, распылении веществ, а также при конденсации пересыщенных паров воды и органических жидкостей. По агрегатному состоянию аэрозоли бывают:
туманы (Ж/Г), дымы (Т/Г), пыли (Т/Г), смог (смешанного типа).
К особенностям физических свойств аэрозолей, связанных с газообразной средой относятся
-термофореза – движение частиц аэрозоля в направлении области более низких температур.
-термопреципитации – осаждение частиц аэрозоля на холодных поверхностях за счет потери частицами кинетической энергии. Этим объясняется осаждение пыли на стенах и потолке около обогревательных приборов.
-фотофореза – перемещение частиц аэрозоля при одностороннем освещении.
Роль аэрозолей велика. Влияние облаков и туманов на климат, перенос семян и пыльцы ветром, внесение удобрений. Стерильные аэрозоли применяются для стерилизации операционного поля, ран, ожогов; ингаляционные аэрозоли, содержащие антибиотик и др. препараты; аэрозоли применяют в виде клея в хирургической практике для склеивания ран, кожи, сосудов…
Порошки – свободно-дисперсные системы Т/Ж. Свойства порошков:
Насыпная плотность – масс единицы объема порошка, свободно насыпанного в какую-либо емкость;
Слипаемость - склонность порошка к образованию агрегатов;
Сыпучесть(текучесть) – подвижность частиц относительно друг друга и способность перемещаться под действием внешней силы. Зависит от размера частиц, влажности и степени уплотнения.
Гигроскопичность и смачиваемость – способность поглощать влагу из окружающей среды;
Влажность – отношение массы влаги в материале ко всей массе материала.
Электрическая проводимость;
Горючесть и взрываемость;
Способность к гранулированию.
Суспензии – Т/Ж с размерами частиц выше, чем в коллоидных системах. Отличие суспензий от коллоидных систем:
Прохождение света не вызывает опалесценции, а проявляется в виде мутности.
Лучи преломляются и отражаются, а не рассеиваются.
Седиментационная устойчивость мала.
Твердые частицы быстро оседают.
Концентрированные суспензии называют пастами.
Эмульсии –Ж/Ж, жидкости не смешиваются или ограниченно смешиваются. Эмульсии бывают:
Прямые - масло /вода, бензол /вода
Обратные - вода /масло
Эмульсии бывают: разбавленные, концентрированные, высококонцентрированные. Эмульсии быстро расслаиваются. Стабилизирующие эмульсию вещества называются эмульгаторы.
Пены – дисперсные системы Г/Ж (менее устойчива) и Г/Т (более устойчива). Устойчивость пен ниже, чем эмульсий. Стабильность пен определяется по времени « жизни» свободной пленки или пузырька, а также по времени разрушения столба пены. Образование пены происходит при продувании газа через жидкость. Сущность процесса пенообразования состоит в том, что пузырьки газа, окруженные адсорбционным слоем из молекул ПАВ, поднимаются к поверхности жидкости и встречают на ней пленку. Если пленка крепка, то пузырьки накапливаются на поверхности. Пенообразование используется в процессах флотации, при тушении пожаров, в процессах очистки поверхностей от загрязнений, в пищевой, космической и фармацевтической промышленности. Пенные аэрозоли используют как кровоостанавливающее средство, препараты против ожогов. Широко применяются твердые пены: пенопласт, пеностекло , природная твердая пена – пемза.
2.5 Высокомолекулярные системы и их растворы
Растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ) - гомогенные термодинамически устойчивые обратимые системы, которые образуются самопроизвольно и по своей природе являются истинными молекулярными растворами.
Сходство с коллоидными растворами:
Макромолекулы состоят из многих тысяч атомов
Оптические свойства
Малая скорость диффузии
Низкое осмотическое давление.
ВМВ бывают: природные - белки, полисахариды, пектин. Имеют постоянную молярную массу;
Синтетические - пластмассы, синтетические волокна..Имеют среднее значение молярной массы.
Строение бывает: линейное – натуральный каучук;
разветвленное – крахмал;
пространственное – смолы;
сшитые – резина, эбонит.
Свойства растворов ВМВ:
1.Набухание- увеличение объема и массы полимера за счет поглощения им какого-то количества растворителя. Количественной мерой набухания является степень набухания L, которая может иметь объемное и массовое выражение L=V-V0/V0; L=m-m0/m0
Набухание может быть ограниченным (набухание желатина в воде, резины в бензоле) и неограниченным (набухание желатина в горячей воде, каучука в бензине)
2.Высаливание – процесс выделения ВМВ из раствора под влиянием электролитов или нерастворителей.
3.Коацервация – выделение новообразовавшейся фазы в виде мельчайших капель. Используется для покрытия лекарственных препаратов оболочками, с целью защиты от окружающей среды.
4.Осмотическое давление может быть измерено с достаточной точностью по уравнению Вант-Гоффа П= cRТ/ М
5. Вязкость возрастает пропорционально ассиметрии их молекулы. При одинаковой химической структуре молекул вязкость увеличивается с увеличением молекулярной массы.
Студни и гели . Понятие гель и гелеобразование относят к переходу лиофобных дисперсных систем (золей, суспензий) в вязкодисперсное состояние. Гели являются гетерогенными двухфазными системами. Переход растворов полимеров к нетекучей эластичной форме обозначают понятием студнеобразование или студень. Они могут быть гомо- и гетерогенными. Гели могут иметь коагуляционную и конденсационно-кристаллизационную структуры. Между частицами дисперсной фазы сохраняются прослойки дисперсной среды, благодаря чему проявляется не которая пластичность. Чем тоньше прослойка среды, тем больше механическая прочность структуры, но и больше ее хрупкость. Гели способны к ползучести – медленному течению без заметного разрушения пространственной структуры, и к синерезису – постепенному уплотнению структуры геля, сопровождающегося выделением дисперсной среды из капель сетки. Лиофобные хрупкие гели сохраняют свой каркас при высушивании. Высушенные гели –ксерогели – способны вновь впитывать жидкую среду. Сухие хрупкие гели ввиду пористости имеют сильно развитую поверхность и являются хорошими адсорбентами (силикогель, алюмогель.)
Гомогенные полимерные студни образуются либо при застудневании растворов линейных и разветвленных ВМВ, либо в результате набухания ВМВ. Примеры студней: желатин, агар-агар, волокна, кожа.
Вопросы к контрольной работе
1.Дайте характеристику твердому агрегатному состоянию.
2.Дайте характеристику газообразному состоянию.
3.Дайте характеристику жидкому состоянию.
4. Дайте объяснение, что такое открытая система.
5. Дайте объяснение, что такое закрытая система
6. Дайте объяснение, что такое изолированная система
7. Дайте объяснение, что такое гомогенная система
8. Дайте объяснение, что такое гетерогенная система
9.Напишите математическое выражение первого закона термодинамики
10.Напишите математическое выражение второго закона термодинамики.
11.Дайте определение понятия тепловой эффект химической реакции. Сформулируйте закон Гесса.
12.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: H2(Г)+I2(Г) = 2HI(Г)
13.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: Fe(ТВ) +H2O(Г) = FeO (ТВ)+H2(Г)
14.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: 4HCl(Г) +O2 (Г)= 2Cl2(Г)2H2O(Г)
15.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: 2A(ТВ)+3 B(Г)= 2C(г) +D(Г)
16.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: A(Г)+3B(Г) = C(Г)
17.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: 2SO2(Г)+ O2(Г) = 2SO3(Г)
18.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: H2(Г)+Cl2(Г) = 2HCl(Г)
19.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: 3 A(ТВ) +2B(Г) = 3 C(Г)+ D(Г)
20.На сколько градусов нужно увеличить температуру, чтобы скорость химической реакции возросла в 32 раза. Если температурный коэффициент равен 2.
21.На сколько градусов нужно увеличить температуру, чтобы скорость химической реакции возросла в 64 раза. Если температурный коэффициент равен 2.
22.На сколько градусов нужно увеличить температуру, чтобы скорость химической реакции возросла в 256 раза. Если температурный коэффициент равен 2.
23.На сколько градусов нужно увеличить температуру, чтобы скорость химической реакции возросла в 81раза. Если температурный коэффициент равен 3.
24.Для нейтрализации 30 мл р-ра серной кислоты потребовалось прибавить к ним 20 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты
25.Для нейтрализации 40 мл р-ра соляной кислоты потребовалось прибавить к ним 28 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты
26.Для нейтрализации 50 мл р-ра азотной кислоты потребовалось прибавить к ним 24 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты
27.Для нейтрализации 40 мл р-ра щелочи потребовалось прибавить к ним 24 мл 0,2н р-ра соляной кислоты. Определите нормальность взятого р-ра щелочи.
28.Для нейтрализации 20 мл р-ра серной кислоты потребовалось прибавить к ним 14 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты
29.Для нейтрализации 30 мл р-ра щелочи потребовалось прибавить к ним 24 мл 0,2н р-ра серной кислоты. Определите нормальность взятого р-ра щелочи.
30.Для нейтрализации 50 мл р-ра серной кислоты потребовалось прибавить к ним 25 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты
31.Для нейтрализации 45 мл р-ра серной кислоты потребовалось прибавить к ним 35 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты
32.В чем различие между гомогенным и гетерогенным катализом
33.Дайте определение понятию коллоидная химия. Каково ее значение.
34.Дайте характеристику адсорбции.
35.Приведите примеры классификации дисперсных систем.
36.Объясните, в чем отличие понятий гидрозоли, органозоли, аэрозоли, лиозоли.
37.Объясните, в чем отличие лиофобных и лиофильных дисперсных систем.
38.Объясните, что такое вязкость, от чего она зависит и как определяется.
39.Дайте характеристику конденсационному методу получения коллоидных растворов.
40.Дайте характеристику методу диспергирования.
41.Объясните, чем отличается диализ от электродиализа.
42.Объясните, в чем отличия компенсационного диализа от вивидиализа.
43.Что такое ультрафильтрация и для чего она применяется.
44.Дайте характеристику аэрозолям.
45.Дайте характеристику порошкам.
46.Дайте сравнительную характеристику суспензии и эмульсии.
47.Дайте характеристику пенам.
48.Дайте характеристику ВМВ.
49.Объясните, в чем отличие студня от геля.
Шифр учащегося | № задания | № задания | № задания | № задания |
13з – 1, 14з-1 | ||||
13з – 2, 14з-2 | ||||
13з – 3, 14з-3 | ||||
13з – 4, 14з-4 | ||||
13з – 5, 14з-5 | ||||
13з – 6, 14з-6 | ||||
13з – 7, 14з-7 | ||||
13з – 8, 14з-8 | ||||
13з – 9, 14з-9 | ||||
13з – 10, 14з-10 | ||||
13з – 11, 14з-11 | ||||
13з – 12, 14з-12 | ||||
13з – 13, 14з-13 | ||||
13з – 14, 14з-14 | ||||
13з – 15, 14з-15 | ||||
13з – 16, 14з-16 | ||||
13з – 17, 14з-17 | ||||
13з – 18, 14з-18 | ||||
13з – 19, 14з-19 | ||||
13з – 20, 14з-20 | ||||
13з – 21, 14з-21 | ||||
13з – 22, 14з-22 | ||||
13з – 23, 14з - 23 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Ахметов и коллоидная химия. – М.: Высш. шк., 1986.
2. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высш. шк., 1977.
3. Киреев курс физической химии. – М.: Высш. шк., 1980.
4. , Киенская и коллоидная химия. – М.: Изд. центр «Академия», 2007.
5. Евстратова и коллоидная химия. – М.: Высш. шк., 1985.
Коллоидная химия – это наука о физико-химических свойствах дисперсных систем и поверхностных явлениях.
Дисперсная система (ДС) – это система, в которой хотя бы одно вещество в более или менее раздробленном (диспергированном) состоянии равномерно распределено в массе другого вещества. ДС гетерогенна, она состоит как минимум из двух фаз. Раздробленную фазу называют дисперсной фазой. Сплошную среду, в которой раздроблена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Характерным свойством ДС является наличие большой межфазной поверхности. В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Для ДС характерны процессы, протекающие на поверхности, а не внутри фазы.
Поверхностные явления и адсорбция
Поверхностные явления ─ это явления, протекающие на поверхности раздела фаз дисперсных систем. К ним относятся: поверхностное натяжение, смачивание, адсорбция и др. На поверхностных явлениях основаны важнейшие технические процессы: очистка воздуха и сточных вод от вредных примесей, обогащение руд полезных ископаемых (флотация), сварка металлов, чистка, смазка, окрашивание различных поверхностей и многие другие.
Поверхностное натяжение
Любая поверхность раздела фаз имеет особые свойства, отличающиеся от свойств внутренних частей граничащих фаз. Это обусловлено тем, что поверхностные слои обладают избытком свободной энергии. Рассмотрим систему, состоящую из жидкости и газа (рис.1).
На молекулу А , находящуюся внутри жидкости, действуют силы взаимного притяжения со стороны всех окружающих ее соседних молекул. Равнодействующая этих сил равна нулю. Для молекулы В , находящейся на поверхности жидкости, будут скомпенсированы не все силы молекулярного притяжения. Это вызвано тем, что в газе молекулы удалены друг от друга на большие расстояния, силы притяжения между ними ничтожны. Следовательно, молекулы В испытывают притяжение только со стороны жидкости. Для них равнодействующая сил молекулярного притяжения не равна нулю и направлена вглубь жидкой фазы. Эту силу называют внутренним давлением. Такое давление стремится затянуть все молекулы с поверхности вглубь жидкости. Под действием этого давления жидкость сжимается и ведет себя так, как будто у нее есть «кожа». Чем сильнее различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше внутреннее давление.
Для того чтобы создать новую поверхность раздела фаз, например, растянуть жидкость в пленку, надо затратить работу против сил внутреннего давления. Чем больше внутреннее давление, тем большую энергию требуется затратить. Эта энергия сосредоточивается в молекулах, находящихся на поверхности, и называется свободной поверхностной энергией.
Работу, затраченную на образование 1см 2 поверхности раздела фаз, или эквивалентную ей свободную поверхностную энергию, называют поверхностным натяжением и обозначают , Дж/м 2 . Тогда запас свободной энергии, (F s) cконцентрированной на поверхности раздела фаз (S) равен: F s = S. Следовательно, чем меньше размер частиц, тем больше поверхность S, и тем большим запасом свободной поверхностной энергии обладает данная дисперсная система по сравнению с обычными массивными телами.
Из термодинамики известно, что условием устойчивого равновесия системы является минимум свободной энергии. В связи с этим, дисперсные системы термодинамически неустойчивы: в них самопроизвольно протекают процессы , связанные с уменьшением поверхности раздела фаз за счет укрупнения частиц. Очевидно, что состоянию равновесия отвечает расслоение системы (например, эмульсия разделяется на две жидкости, а суспензия ─ на жидкость и осадок). Кроме того, так как величина стремится к минимуму, жидкость в свободном состоянии принимает форму сферы, (капли жидкости). Это объясняется тем, что поверхность шара является минимальной для данного объема вещества.
Минимум величины F s , то есть состояние равновесия системы, может быть достигнуто также за счет стремления к минимуму величины . Таким образом, самопроизвольными в дисперсных системах являются также процессы, связанные с уменьшением величины поверхностного натяжения. Для твердых тел , которые не могут изменять свою форму также легко, как жидкости, свободная поверхностная энергия F s может уменьшаться только одним путем ─ за счет уменьшения величины поверхностного натяжения . Это происходит так: молекулы, лежащие в поверхностном слое, способны притягивать и иногда очень прочно удерживать другие молекулы из среды, окружающей твердое тело. Это явление носит название сорбции.
На величину поверхностного натяжения оказывают влияние:
1. Природа вещества . Величина определяется строением конденсированной фазы, то есть природой сил, действующих между частицами. Чем больше полярность химических связей в веществе, тем более высокие величины характерны для этого вещества. Среди жидкостей (на границе с воздухом) наибольшую величину имеет вода. Еще более высокие величины наблюдают в расплавах ионных кристаллов и в твердых металлах.
2.Температура. При повышении температуры величина уменьшается, так как тепловое движение частиц при нагревании ослабляет действие межчастичных сил в веществе.
3.Концентрации вводимых добавок. Величина зависит от концентрации веществ, растворенных в исследуемой жидкости. Различают два вида веществ. Поверхностно ─ инактивные вещества (ПИВ) , повышающие поверхностное натяжение раствора по сравнению с чистым растворителем. К ним относятся большинство сильных электролитов.
Поверхностно − активные вещества (ПАВ), сильно понижающие поверхностное натяжение образовавшегося раствора. С увеличением концентрации ПАВ в растворе величина резко уменьшается, так как вещество концентрируется (сорбируется) в поверхностном слое раствора, а не распределяется равномерно в объеме раствора. В водных растворах поверхностную активность проявляют полярные органические соединения ─ спирты, кислоты, соли и др. В молекулы таких соединений одновременно входят и полярные группы (О, ОН, СООН, NH 2) и неполярная углеводородная цепь. Схематично молекулу ПАВ условно обозначают так: «О────». Типичным примером ПАВ является натриевая соль стеариновой кислоты С 17 Н 35 СООNа (твердое мыло).
Коллоидная химия
Коллоидные системы и предмет коллоидной химии
Коллоидные системы
Историческая справка
Первоначально коллоидная химия была лишь главой физической химии. Теперь это самостоятельная дисциплина со своим кругом идей. Были разработаны специальные специфические коллоидно-химические методы исследования: ультрамикроскопия, электронная микроскопия, ультрацентрифугирование, электрофорез и т.д. Практика показала огромное значение коллоидной химии для современной техники. Невозможно указать отрасль народного хозяйства, в которой не использовались бы коллоидные системы и коллоидные процессы. С коллоидными системами человек имел дело с незапамятных времен. Однако изучение их началось сравнительно недавно.
Обычно считают, что основателем коллоидной химии является английский ученый Томас Грэм (*) (1805-1869), который в 50-60-е годы позапрошлого столетия ввел в обращение основные коллоидно-химические понятия. Однако не следует забывать, что у него имелись предшественники, и прежде всего – Яков Берцелиус (*) и итальянский химик Франческо Сельми (*) . В 30-е годы XIX века Берцелиус описал ряд осадков, проходящих при промывании через фильтр (кремниевая и ванадиевая кислоты, хлористое серебро, берлинская лазурь и др.). Эти проходящие через фильтр осадки Берцелиус назвал «растворами», но в то же время он указал на их близкое сродство с эмульсиями и суспензиями, со свойствами которых он был хорошо знаком. Франческо Сельми в 50-е годы XIX века продолжил работы в этом направлении, ища физико-химические различия между системами, образованными осадками, проходящими через фильтр (он назвал их «псевдорастворами») и обычными истинными растворами.
Английский ученый Майкл Фарадей (*) в 1857 г. синтезировал коллоидные растворы золота – взвесь Au в воде размерами частиц от 1 до 10 нм. и разработал методы их стабилизации.
Эти «псевдорастворы» рассеивают свет, растворенные в них вещества выпадают в осадок при добавлении небольших количеств солей, переход вещества в раствор и осаждение из него не сопровождаются изменением температуры и объема системы, что обычно наблюдается при растворении кристаллических веществ.
Томас Грэм развил эти представления о различии между «псевдорастворами» и истинными растворами и ввел понятие «коллоид». Грэм обнаружил, что вещества, способные к образованию студнеобразных аморфных осадков, такие как гидроокись алюминия, альбумин, желатина, диффундируют в воде с малой скоростью по сравнению с кристаллическими веществами (NaCl, сахароза). В то же время кристаллические вещества легко проходят в растворе через пергаментные оболочки («диализируют»), а студнеобразные вещества не проходят через эти оболочки. Принимая клей за типичный представитель студнеобразных не диффундирующих и не диализирующих веществ, Грэм дал им общее название «коллоид», т.е. клееобразный (от греческого слова колла – клей). Кристаллические вещества и вещества, хороши диффундирующие и диализирующие он назвал «кристаллоидами».
Перечислим аномальные свойства некоторых растворов, которые мы называем теперь коллоидными системами.
Свойства коллоидных систем:
1. рассеивание света (опалесценция) (указывает на неоднородность, многофазность системы).
Опалесценция становится особенно заметной, если, как это делал Тиндаль (*) через коллоидный раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. При этом растворы, прозрачные в проходящем свете, в боковом освещении проявляют все свойства мутных сред. В коллоидной жидкости, наблюдаемой сбоку, образуется яркий светящийся конус (конус Тиндаля).
2. медленная диффузия
3. малое осмотическое давление
(пп. 2 и 3 говорят о наличии в системе крупных частиц)
4. коллоидные растворы способны к диализу, т.е. с помощью мембраны могут быть отделены от примесей
5. способны к коагуляции (разрушению) системы при: добавлении примесей, изменении Т, перемешивании и т.д.
6. иногда обнаруживают явление электрофореза, открытое Рейссом (6) в России в 1808 г., т.е. частицы в системе могут обладать зарядом.
Чтобы представить, чем занимается наука «Коллоидная химия», надо ответить на вопрос, что такое коллоиды или коллоидные системы?
Предмет коллоидной химии
Коллоидная химия – наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах.
К поверхностным явлениям относятся процессы, идущие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряженных фаз.
Напомним, что фазой называется часть термодинамической системы, обладающая определенными физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.
В истинных растворах вещество раздроблено до молекулярного состояния и между растворенным веществом и растворителем нет границы раздела.
Причиной поверхностных явлений является существование на границе раздела контактирующих фаз ненасыщенного поля межатомных, межмолекулярных сил, которое возникает из-за разного состава и строения соприкасающихся фаз и различия в связях их поверхностных атомов и молекул.
Поверхностные слои жидких и твердых тел, прилегающих к поверхности раздела фаз, резко отличаются по многим физико-химическим показателям от свойств фаз в глубине их объема (уд.энергия, плотность, вязкость, уд. электропроводность и др.). Отличия связаны и c определенной ориентацией молекул в поверхностных слоях и иным энергетическим состоянием их в сравнении с молекулами в объеме. Кроме того, в многокомпонентных системах (растворах) состав поверхностного слоя не совпадает с составом объемных фаз.
Особенности поверхностных слоев обусловлены наличием избытка поверхностной энергии. Свойства поверхности раздела тем сильнее влияют на поведение системы в целом, чем больше площадь поверхности (S уд). Этим объясняется доминирующая роль поверхностных явлений в свойствах высокодисперсных систем, S уд которых достигает огромных величин.
Наличие избыточной энергии в поверхностном слое молекул обусловлено неполной скомпенсированностью межмолекулярных сил притяжения у молекул поверхностного слоя вследствие их слабого взаимодействия с граничащей фазой.
Коллоидная химия изучает дисперсные системы – гетерогенные системы, состоящие из двух и более фаз, одна из которых дисперсная фаза – раздроблена (прерывна), а другая - дисперсионная среда - является непрерывной частью системы.
Положение о микрогетерогенной природе коллоидных растворов и других дисперсных систем имеет фундаментальное значение. За его открытие австрийский ученый Зигмонди (*) стал лауреатом Нобелевской премии по химии в 1925 г.
Выделение в особую группу дисперсных частиц вызвано отличием их по физическим и химическим свойствам от аналогичных свойств крупных объектов одного и того же вещества. К числу таких свойств относятся прочность, теплоемкость, Т пл, магнитные и электрические характеристики, реакционная способность.
Эти различия вызваны размерными эффектами. Особые свойства выражены тем сильнее, чем меньше размер частиц, особенно это проявляется у наночастиц. Эти свойства открывают принципиально новые практические приложения химии, физики, биологии. Изучение свойств дисперсных частиц (методов получения, структуры, физики и химии) относятся к наиболее актуальным и перспективным задачам ряда дисциплин.
Дисперсные частицы могут иметь самую различную форму : цилиндрическую, сферическую, прямоугольную, неправильную. Например, к дисперсным частицам относятся:
системы с частицами кубической, шарообразной формой – золи, эмульсии, взвеси, пасты;
нитевидные – волокна нервных клеток, 2-х - мерные мышечные волокна, капилляры, поры (древесина, ткани, волосы, кожа),
плёнки – поверхностные слои на границах раздела в эмульсиях, пенах, в порах катализаторов и адсорбентов, мембран.
Таким образом, 1 м 3 исходного вещества можно раздробить на кубики с длиной ребра а , вытянуть в нить с сечением а или расплющить в пленку толщиной а.
Если частицы имеют неправильную форму, то для использования понятия «поперечный размер», их форму приравнивают к сферической с эквивалентным диаметром.
Количественные характеристики дисперсной системы :
1. Размер частиц d ср, d min , d max
2. Концентрация частиц ν = n d /V, где n d – число частиц дисперсной фазы в единице объема дисперсионной среды V
3. Раздробленность системы характеризуется дисперсностью D и величиной удельной поверхности дисперсной фазы S уд :
Первый вариант количественной оценки - основной
D= 1/d и S уд = S /V , (1.1)
где d – минимальный размер частицы, S – V- объем тела.
Например, у частицы кубической формы с размером ребра
d = 10 -8 м S уд = 6 d 2 / d 3 = 6/ d = 6 *10 8 м -1
Для нити сечением d 2 = 10 -8 * 10 -8 S уд = 4* 10 8 м -1
Для пластины толщиной d= 10 -8 м S уд = 2 *10 8 м -1
Для систем, содержащих частицы сферической формы с радиусом r S уд = 4 π r 2 / 4/3 π r 3 = 3/ r
Второй вариант (в учебнике МГУ - Щукина) :
D= S /V , (1.2)
где S – суммарная площадь межфазной поверхности, V - объем тела,
S уд = S /∑m = D / ρ, где ρ= плотность данного вещества.
Итак, коллоидные системы имеют два характерных признака :
1. гетерогенность
2 дисперсность.
Безусловно, первый из них имеет превалирующее значение для коллоидных систем, поскольку в отсутствие границы раздела фаз поверхностные явления не возникают.
Межмолекулярные связи
Межмолекулярное взаимодействие может иметь различный характер:
1. химические связи – образуются путем перекрывания электронных орбиталей и потому сугубо специфичны
2. водородные связи возникают между молекулами, содержащими функциональную группу – ОН: кислотами, щелочами, водой и др. веществ -
силикагель - Si – OH H
3. Силы Ван-дер-Ваальса (*) (молекулярные связи), действующие между любыми молекулами.
Отличия молекулярных сил притяжения от химических :
а) по величине энергии: Е мол = 5 - 50 кДж/моль
Е хим = 80 – 800 кДж/моль
б) молекулярные силы неспецифичны
в) различие по радиусу действия
r хим ~ 10 -8
r мол > 10 -7 см
г) молекулярные силы аддитивны, а химические связи насыщаемы
Молекулярные силы взаимодействия включают в себя :
а) ориентационные силы (Кеезома) (*)
Возникают между полярными молекулами в результате взаимодействия дипольных моментов. Из-за диполь-дипольного взаимодействия молекулы приобретают определенную ориентацию относительно друг друга
Энергия ориентационного взаимодействия сильно зависит от расстояния между молекулами:
Е μˉ1/ μˉ2 = - А 1 /r 6 (2.1)
У полярной молекулы – центр тяжести «+» и «-» зарядов не совпадает (дипольный момент μˉ i ≠ 0).
Степень полярности зависит от дипольного момента μˉ i . Полярность многоатомных молекул определяется полярностями отдельных связей и их расположением относительно друг друга.
К неполярным неорганическим веществам относятся: элементы, симметрические молекулы газов, некоторые соли (сульфиды металлов).
При рассмотрении полярности или неполярности молекул органических следует обращать внимание не только на наличие полярной группы в молекуле, но и на расположение их в структурной формуле молекулы.
Например:
б) индукционные силы (силы Дебая (*)). Диполь у неполярной молекулы возникает в электрическом поле или под действием поля полярной молекулы.
Энергия связи зависит от поляризуемости молекул и также сильно уменьшается с увеличением расстояния:
Е инд = - А 2 /r 6 (2.2)
в) дисперсионные силы (силы Лондона (*)) действуют между всеми молекулами. Возникают из-за непрерывного движения электронов в атомах, приводящего к образованию мгновенных диполей. В свою очередь электрическое поле мгновенного диполя одного атома индуцирует дипольный момент соседнего, что приводит к возникновению сил притяжения.
Е дисп = - А 3 /r 6 (2.3)
Точнее 
, (2.4)
где α – поляризуемость молекулы.
Дисперсионные силы притяжения не зависят от температуры.
Молекулярные силы быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами.
Рассмотрим соотношения между отдельными силами притяжения молекул (табл. 2.1):
Таблица 2.1
Определения поверхностного натяжения
Возьмем объект такой конфигурации, чтобы при его разрыве плоскостью скольжения образовались две составляющих части с площадью поверхности S. При разрыве тела тратится определенная работа, идущая на разрыв межмолекулярных сил. Естественно, что эта работа пропорциональна площади межфазной поверхности:
Рис.2.2. К определению поверхностного натяжения как работы образования единицы поверхности
На новой поверхности образуется слой молекул, обладающих большей энергией, чем молекулы внутри фазы. Коэффициент пропорциональности между работой и площадью межфазной поверхности называется коэффициентом поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением .
Исходя из приведенного уравнения, виден физический смысл поверхностного натяжения как работы:
1. Поверхностное натяжение численно равно работе обратимого изотермического образования единицы поверхности
Понятие обратимого процесса накладывает определенное ограничение на использование этого определения, так как не всякую границу раздела фаз можно получить приведёнными рассуждениями обратимо. Например, получение новой площади границы раздела т/г невозможно получить обратимо, т.к. реально нужно учитывать необратимую деформацию молекул. Поэтому часто используют определение поверхностного натяжения как удельной поверхностной энергии.
2. Поверхность раздела фаз обладает избытком нескомпенсированной энергии. Этот избыток в расчете на единицу поверхности составляет удельную свободную поверхностную энергию .
Для увеличения площади жидкой фазы нужно преодолеть внутреннее давление и совершить определенную механическую работу. Если увеличение площади производится при Р, Т = cоnst или V, T = cоnst, то оно сопровождается увеличением поверхностной энергии системы.
Термодинамическое определение поверхностного натяжения вытекает из объединенного уравнения I и II начал термодинамики.
Запишем его для гетерогенной системы относительно внутренней энергии U: dU = TdS – PdV +σdS +∑μ i dn i +φ dq (2.8)
при S, V, n i, и q = cоnst dU = σ dS (2.9)
Отсюда получаем, 
, (2.10)
т.е. поверхностное натяжение – частная производная от внутренней энергии по площади поверхности раздела фаз при постоянных энтропии, объеме, числе моль вещества и заряде поверхности.
Так как объединенное уравнение может быть записано относительно и других термодинамических потенциалов, то при соответствующих постоянных параметрах получаем:
Поскольку чаще всего мы имеем дело с процессами, происходящими в изобарно-изотермических условиях , то можно встретить такое определение:
Поверхностное натяжение σ – это избыточная удельная поверхностная энергия Гиббса (*) .
Для индивидуальных веществ это определение достаточно строгое. Для единицы поверхности можно записать:
«Избыточность» означает, что энергия поверхностных молекул жидкости больше энергии молекул в ее внутреннем объеме.
3) Поверхностное натяжение помимо энергетического (термодинамического) физического смысла имеет и силовой (механический) . Это может прояснить простой опыт:
Рис.2.3. Рамка Дюпре (*)
На проволочной рамке помещается подвижная перекладина АD длиной l, легко скользящая по рамке. Опускаем рамку в водный раствор мыла. На рамке образуется двухсторонняя мыльная пленка, стягивающая часть рамки длиной l. Приложим к подвижной перекладине АD направленную вниз силу F (груз G). Под действием силы F перекладина АD переместится на бесконечно малое расстояние dx и займет положение А׳ D׳ .
Сила F произведет при этом работу dW=Fdx. (2.13)
Если T=const, то эта работа затрачивается только на увеличение площади пленки: dS = 2l dx (2.14)
dW = σ dS. (2.15)
Определим условие силового механического равновесия перекладины АD при приложении силы F:
dW = F dx = σ dS = σ 2l dx. (2.16)
Такое равновесие обеспечивает сила, направленная в противоположную сторону и равная: σ = F/2l. (2.17)
Температура Т
Влияние добавок
Поверхностное натяжение растворов отличается от поверхностного натяжения растворителя. Зависимость σ ж/г = f(С) при Т=const называется изотермой поверхностного натяжения . Знак dσ/dс указывает на характер зависимости σ от концентрации С. Условимся рассматривать изотерму поверхностного натяжения только для водных растворов, поэтому при С=0 поверхностное натяжение σ о равно σ н2о при данной температуре.
Рис.2.6. Изотермы поверхностного натяжения на границе ж/г в зависимости от концентрации растворенного вещества
Для водных растворов различают 3 основных типов изотерм :
1. поверхностно-неактивные вещества , не изменяющие поверхностное натяжение (кривая 1).
2. поверхностно- инактивные вещества (электролиты), которые в воде диссоциируют с образованием ионов, которые хорошо гидратируются, т.к. Е ион/н2о >Е н2о/н2о, поэтому ионы интенсивно втягиваются вглубь раствора, dσ/dс > 0 (кривая 2).
Для границы раздела фаз вода - воздух это соли, щелочи, минеральные кислоты, т.е. любые соединения, образующие в растворе только неорганические ионы. Их действие объясняется следующим образом: силы притяжения ионов и диполей воды сильнее, чем диполей друг к другу, поэтому при растворении ПИВ в воде увеличиваются межмолекулярные взаимодействия в поверхностном слое, а, следовательно, увеличивается и σ .
Эффект увеличения σ от добавки ПИВ в воду обычно незначителен. Это видно из рис.2.5. Так, поверхностное натяжение чистой воды при 20°С равно 72,8 мДж/м 2 , для 1 % раствора NaOH оно составляет 73,0 мДж/м 2 и лишь у 10% раствора NaOH ст достигает 77,5 мДж/м 2 .
3. поверхностно-активные вещества , которые уменьшают поверхностное натяжение на границе раздела фаз (кривая 3).
Способность уменьшать поверхностное натяжение называется поверхностной активностью (2.20)
К ПАВ относятся органические молекулы с несимметричным строением молекул, состоящие из полярных и неполярных групп – с дифильным строением (рис.2.7):
полярная группа: -СООН; - -NO 2 ; -СHO; - ОН; -NH 2 ;SO 2 OH
неполярный углеводород-
ный радикал
Рис. 2.7. Условное изображение молекулы ПАВ
Полярные группы в воде гидратируются, неполярная часть молекул ПАВ представляют собой гидрофобную углеводородную цепь или радикал.
Молекула ПАВ из-за своего дифильного строения по-разному взаимодействует с молекулами воды в растворе: полярная часть легко гидратируется (благодаря этому идет растворение молекул ПАВ – этот процесс энергетически очень выгоден), неполярный углеводородный радикал, слабо взаимодействуя с водой, препятствует межмолекулярному взаимодействию диполей воды друг с другом.
Е н2о/н2о > Е н2о/ПАВ (напоминаем, что взаимодействие молекул воды друг с другом достаточно сильное – ориентационное, индукционное, дисперсионное, плюс водородные связи), поэтому энергетически выгоднее удалить неполярные длинные углеводородные радикалы из объема.
В результате на поверхности образуется определённым образом ориентированный адсорбционный слой, в котором полярная часть обращена в воду, а неполярный радикал - в контактирующую фазу (например, в воздух). При этом уменьшается избыточная поверхностная энергия, а, следовательно, и поверхностное натяжение.
Кривая 3 на рис. 2.6. характеризует зависимость σ=f(С) для водных растворов полярных органических веществ с не очень длинными цепями и недиссоциирующими или слабодиссоциирующими группами алифатических спиртов, аминов, жирных кислот. Для них поверхностное натяжение падает сначала линейно, затем по логарифмическому закону.
Этот тип зависимости σ=f(С) хорошо описывается эмпирическим уравнением Шишковского: σ= σ о – В ln(1+A С). (2.21)
Физический смысл коэффициентов А и В мы обсудим несколько позже.
(Значение константы А возрастает в 3-3,5 раза при переходе к гомологу, а В = RTГ ∞, где Г ∞ - предельная адсорбция)
Обычно не даю, чтобы не путать :
Существует большая группа ПАВ с большим гидрофобным радикалом и сильно гидратирующейся полярной группой. В растворах таких соединений с увеличением концентрации до некоторой критической величины – ККМ (критической концентрации мицеллообразования) образуются мицеллы – агрегаты из ориентированных молекул ПАВ. Поверхностное натяжение таких растворов определяется индивидуальными молекулами ПАВ, т.к. мицеллы почти не снижают поверхностное натяжение раствора – кривая 4.
2.2.4. Экспериментальные методы определения поверхностного натяжения
Основная характеристика свойств поверхности раздела фаз – удельная свободная поверхностная энергия и численно равная ей величина поверхностного натяжения могут быть сравнительно легко и с большой точностью определены для легкоподвижных границ раздела – ж/г и ж 1 /ж 2 .
Существует большое число методов определения поверхностного натяжения. Остановимся на общих принципах основных методов измерения σ на границе ж/г.
Для измерения поверхностного натяжения индивидуальных жидкостей пригодны любые методы. У растворов же результаты измерений поверхностного натяжения разными методами могут сильно отличаться из-за медленного установления равновесного распределения растворённых веществ между только что образованной поверхностью и объёмом раствора.
Для правильного выбора метода исследования необходимо учитывать кинетику установления равновесных значений поверхностного натяжения. Например, диффузия молекул ПАВ к поверхности раздела фаз происходит достаточно медленно, за короткое время замера не успевает установиться их равновесная поверхностная концентрация, при этом молекулы не успевают должным образом ориентироваться в поверхностном слое. Поэтому для измерений σв этом случае следует использовать статические или полустатическиме методы, но не динамические.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные статические и полустатические методы определения поверхностного натяжения.
1. Статические – основаны на изучении устойчивого равновесного состояния, к которому самопроизвольно приходит система. К ним относятся методы: уравновешивания пластинки, капиллярного поднятия, лежачей или висячей капли.
Метод Вильгельми (*) (метод уравновешивания пластинки).
Тонкую пластинку толщиной d, закрепленную на коромысле весов, погружают в исследуемую жидкость, которая хорошо смачивает ее поверхность. На поверхности пластинки образуются мениски. Форма их поверхности и максимальная высота поднятия жидкости определяется уравнением Лапласа.
Вес пластинки определяется статически и при отрыве от поверхности. Суммарный вес жидкости (а, следовательно, сила F, которую надо приложить для уравновешивания пластинки), приходящийся на единицу параметра пластинки, не зависит от формы мениска и при θ =0 равен поверхностному натяжению:
, (2.22)
Метод капиллярного поднятия основан на использовании расчетов поверхностного натяжения по формуле Жюрена (*) :
, (2.23)
где Н – высота поднятия жидкости в капилляре, ρ и ρ о – плотности жидкости и ее насыщенного пара, θ – краевой угол смачивания, g – ускорение силы тяжести.
Разность давлений, возникающая по обе стороны от поверхности жидкости при её искривлении, называется капиллярным давлением. Если капилляр опустить в жидкость, то за счёт смачивания или несмачивания стенок капилляра образуется мениск, т.е. искривление поверхности жидкости и возникает капиллярное давление.
Под его влиянием граница жидкости перемещается до тех пор, пока не установится равновесие между гидростатическим давлением и капиллярным. При этом смачивающая жидкость поднимается, а несмачивающая опускается. Измерения σ производят в приборе, схематически изображённом на рис.2.8. Исследуемую жидкость заливают в широкую трубку (см. схему прибора), далее с помощью катетометра измеряют высоту капиллярного поднятия h. Она зависит от поверхностного натяжения жидкости:
 |
Рис. 2.8. Схема прибора для измерения поверхностного натяжения жидкостей методом капиллярного поднятия: 1 - капилляр, 2 -широкая трубка.
Жидкость в капилляре поднимается вверх, пока гидростатическое давление Р не уравновесится с капиллярным Р σ (Р σ =2σ/r), r=r o /сosθ. Применяют тонкие капилляры, что обеспечивает сферичность мениска, хорошо смачиваемые жидкостью, поэтому можно упростить расчет (угол θ ≈ 0 о).
Группа методов (лежачей или висячей капли) основаны на изучении формы капель в поле силы тяжести. В этих случаях ведется учет отклонения их формы от сферической. Этот метод ценен для определения поверхностного натяжения при высоких температурах. В этих случаях капли фотографируют длиннофокусной оптикой либо в рентгеновских лучах.
Сопоставляют результаты измерений геометрических параметров, показывающих степень отклонения поверхности от сферической, с табулированными значениями этих параметров (их получают численным интегрированием уравнения Лапласа (*)), находят величину σ.
2) Полустатические методы основаны на изучении условий, при которых система теряет равновесие.
Адсорбция
2.4.1. Основные понятия и определения
Адсорбция – процесс самопроизвольного изменения концентрации (перераспределения) компонентов системы между поверхностным слоем и объемной фазой.
Более плотная фаза называется адсорбентом (в жидком или твердом агрегатном состоянии).
Вещество, которое адсорбируется, называется адсорбат или адсорбтив .
Обратный процесс называется десорбцие й .
Для количественного описания адсорбции используются две величины:
1. Абсолютная адсорбция А – число моль или г адсорбата, приходящееся на единицу поверхности или массы адсорбента.
Единицами измерения А являются моль/м 2 , моль/г или моль/см 3 . Экспериментально А определяют весовым методом (например, на весах Мак-Бена) при изучении адсорбции из газовой фазы на твёрдом адсорбенте. Увеличение массы (пересчитанное в моль) адсорбента, подвешенного на весах, равно именно А.
2. Избыточная адсорбция (гиббсова) Г – избыток адсорбата в поверхностном слое по сравнению с его количеством в таком же объеме фазы, приходящийся на единицу поверхности или массы адсорбента.
Измеряют избыточную адсорбцию также в моль/м 2 , моль/г или моль/см 3 . Экспериментально Г определяют по разности концентраций адсорбата в растворе до и после адсорбции (как это делается в лабораторном практикуме).
По своему физическому смыслу А всегда положительна (А > 0). Значение же Г может быть как положительным (вещество концентрируется на поверхности), так и отрицательным (вещество избегает поверхности, как в случае адсорбции ПИВ).
По определению А всегда больше Г, но при малых концентрациях адсорбата (можно пренебречь количеством вещества в слое фазы по сравнению с количеством его у поверхности) и сильной его адсорбции А » Г. Обычно это наблюдается в водных растворах ПАВ.
Установлен ряд приближенных критериев, совокупность которых позволяет на основании экспериментальных данных различить физическую и химическую адсорбции.
1. Физическая адсорбция происходит под влиянием сил Ван-дер-Ваальса и по своей природе аналогична процессам конденсации паров адсорбата. Поэтому теплота её близка к теплотам конденсации и составляет –(5 – 40) кДж/моль. Теплота хемосорбции соизмерима с теплотами химических реакций и составляет обычно –(80 – 400) кДж/моль.
Однако хемосорбция из жидких растворов может сопровождаться выделением теплоты, близкой к теплоте физической адсорбции. Таким образом, если наблюдаемые теплоты адсорбции превышают -80 кДж/моль, то можно с достаточной уверенностью утверждать, что исследуемое явление - хемосорбция. Нельзя, однако, делать вывод о физической природе адсорбции в случае малой величины её теплоты.
2. Температурная область протекания физической адсорбции не может значительно превышать температуру кипения адсорбата при давлении опыта. Так, при атмосферном давлении физическая адсорбция воды ограничена Т≈ 100 0 С. Хемосорбция же может происходить как при низких, так и при гораздо более высоких температурах.
3. Физическая адсорбция на непористых адсорбентах протекает практически мгновенно, и скорость её слабо зависит от температуры. Хемосорбция, как и любая химическая реакция, протекает через образование активированного комплекса с преодолением энергии активации, т.е. является активированной адсорбцией . Скорость такой адсорбции сильно зависит от температуры (эта зависимость передается уравнением Аррениуса (*)).
Однако бывают случаи, например, при хемосорбции кислорода и водорода на поверхности металлов, когда адсорбция протекает очень быстро и практически без зависимости её скорости от температуры.
4. Однозначным критерием установления природы адсорбции является отсутствие значительной температурной зависимости скорости десорбции.
Энергия активации десорбции равна сумме энергии активации адсорбции и теплоты адсорбции. Слабая зависимость скорости десорбции от температуры возможна лишь при малых величинах как энергии активации, так и теплоты адсорбции, а это характерно лишь для физической адсорбции.
5. Физическая адсорбция не специфична : она происходит на любых поверхностях (если температура опыта ниже температуры кипения адсорбата).
Благодаря этой особенности физическая адсорбция и может быть использована для измерения общей поверхности твердых тел. В противоположность этому хемосорбция происходит только на тех адсорбентах, с поверхностями которых возможно химическое взаимодействие адсорбата (между ними имеется химическое сродство).
6. Физическая адсорбция может приводить к образованию полимолекулярных пленок (полимолекулярной адсорбции), так как силы взаимодействия в последующих слоях практически не отличаются от сил взаимодействия в первом слое. При хемосорбции химическое взаимодействие требует непосредственного контакта адсорбата с поверхностью и возможность полимолекулярной адсорбции исключается.
Однако количество адсорбированного вещества при хемосорбции может в некоторых случаях превышать однослойное покрытие вследствие проникновения адсорбата на некоторую глубину приповерхностного слоя в междоузлия кристаллической решетки адсорбента. При хемосорбции кислорода на серебре или платине адсорбированное количество может более, чем в 3 раза превышать число атомов кислорода, отвечающее монослойному покрытию поверхности. При этом не образуется объемная фаза оксида.
7. Химическая адсорбция локализована, т.е. на каждом центре адсорбции поверхности может адсорбироваться только одна молекула адсорбата (поверхность можно представить шахматной доской, на каждой клетке которой может находиться только одна фигура). Физическая же адсорбция нелокализована, т.е. в этом случае нет жесткой связи молекул адсорбата и центров адсорбции.
Приведенные критерии, рассматриваемые в отдельности, не всегда позволяют однозначно охарактеризовать тип адсорбции, но примененные совместно обычно позволяют надежно отличать физическую адсорбцию от хемосорбции.
Надо, однако, иметь в виду, что при отсутствии резкой границы между явлениями физического и химического взаимодействия возможна адсорбция, характеризующаяся промежуточными свойствами между физической адсорбцией и хемосорбцией.
Часто в литературе можно встретить утверждение, что физическая адсорбция – обратимая, а хемосорбция – необратимая. Оно не корректно: хемосорбция, как и любая химическая реакция, идёт до установления равновесия, когда скорость адсорбции равна скорости десорбции. Термин «необратимая адсорбция» следует использовать лишь в тех случаях, когда химическая природа адсорбирующихся и десорбирующихся молекул различна (молекулы распадаются на фрагменты и при десорбции с поверхности выделяются совсем другие частицы). Так, при десорбции хемосорбированного на платине бензола с поверхности удаляется целый набор углеводородов – от метана до циклогексана.
В общем случае адсорбция является функцией давления Р (для газов) или концентрации С (для жидких растворов) и температуры, т.е. изображается на плоскости в координатах а = f(P,T) или Г = f(C,T).
Обычно один из параметров поддерживают постоянным и адсорбцию графически изображают в виде следующих кривых (рис.2.12):
1. Изотерма - это зависимость адсорбции от давления газа или от концентрации раствора при постоянной температуре.
2. Изобара - это зависимость адсорбции от температуры при постоянном давлении газа (изопикна - при постоянной концентрации).
3. Изостера - зависимость давления (или концентрации) от температуры при постоянной адсорбции.
На практике для графического изображения адсорбции чаще всего используют изотермы.
План:
Дисперсные системы.
Строение коллоидной мицеллы.
Методы получения лиофобных коллоидов (СР).
Предмет и значение коллоидной химии.
Коллоидная химия – это наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях , возникающих на границах раздела фаз .
Коллоидная химия является химией реальных тел , поскольку реальные объекты живой и неживой природы, продукты и материалы, создаваемые и используемые человеком, практически всегда находятся в дисперсном состоянии , т. е. содержат в своем составе малые частицы, тонкие пленки, мембраны, волокна с четко выраженными поверхностями раздела. При этом поверхностные явления и дисперсные системы встречаются и далеко пределами Земли. Например, межзвездная материя – это газопылевые облака. Метеорологические явления – грозовые разряды, дождь, снег, град, туман и другие – являются коллоидными процессами.
Коллоидная химия составляет научную основу производства пластических масс , резины, синтетических волокон, клеев, лакокрасочных и строительных материалов, продуктов питания, лекарств и т.п. Практически нет ни одной области промышленности, которая в той или иной степени не имела бы дела с коллоидными системами.
Велика роль коллоидной химии и в решении комплекса задач охраны окружающей среды , включая очистку сточных вод, водоподготовку, улавливание аэрозолей , борьбу с эрозией почв и др.
Коллоидная химия открывает новые подходы к изучению истории земной коры, установлению связей между коллоидно-химическими свойствами почвы и ее плодородием, выяснению условий возникновения жизни, механизмов жизнедеятельности; она является одной из ведущих основ современной биологии , почвоведения, геологии, метеорологии. Вместе с биохимией и физикохимией полимеров она составляет основу учения о возникновении и развитии жизни на Земле . Тот факт, что все живые системы являются высокодисперсными, подчеркивает значение коллоидной химии для развития современной в целом.
Огромно значение коллоидных процессов в сельском хозяйстве (создание дымов и туманов для борьбы с вредителями сельского хозяйства , грануляция удобрений, улучшение структуры почв и т.д.). Кулинарные процессы: старение студней (черствление хлеба, отделение жидкости от киселей, желе и т.п.), адсорбции (осветление бульонов) относятся к коллоидным процессам, которые лежат в основе хлебопечения, виноделия, пивоварения и других пищевых производств.
2. Дисперсные системы.
Дисперсные системы – это такие системы, в которых одно вещество в виде частиц различной величины распределено в другом веществе.
В дисперсных системах различают дисперсную фазу (ДФ) – мелкораздробленное вещество и дисперсионную среду (ДС) – однородное вещество , в котором распределена дисперсная фаза (в мутной воде, содержащей глину, ДФ являются твердые частички глины, а ДС – вода).
Важной характеристикой дисперсных систем является степень дисперсности – средний размер частиц дисперсной фазы.
По степени дисперсности выделяют обычно следующие классы дисперсных систем:
Грубодисперсные системы – системы, размер частиц дисперсной фазы в которых превышает 10 -7 м (суспензии и эмульсии).
Коллоидные системы – системы, размер частиц дисперсной фазы в которых составляет 10 -7 – 10 -9 м. Это микрогетерогенные системы с хорошо развитой поверхностью раздела между фазами. Их частицы не оседают под действием силы тяжести, проходят через бумажные фильтры, но задерживаются растительными и животными мембранами. Например, растворы белков , почвенные коллоиды и т.д.
Иногда выделяют молекулярно(ионно)-дисперсные системы, которые, строго говоря, являются истинными растворами , т.е. гомогенными системами, поскольку в них нет поверхностей раздела фаз. Размер частиц дисперсной фазы менее 10 -9 м. Растворенное вещество находится в виде молекул или ионов. Например, растворы электролитов, сахара.
Коллоидные системы, в свою очередь , подразделяются на две группы, резко отличные по характеру взаимодействий между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды – лиофобные коллоидные растворы (золи) и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), которые ранее называли лиофильными коллоидами .
К лиофобным коллоидам относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы слабо взаимодействуют с дисперсионной средой; эти системы могут быть получены только с затратой энергии и устойчивы лишь в присутствии стабилизаторов.
Растворы ВМС образуются самопроизвольно благодаря сильному взаимодействию частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой и способны сохранять устойчивость без стабилизаторов.
Лиофобные коллоиды и растворы ВМС различаются , составляющих дисперсную фазу. Для лиофобных коллоидов единицей структуры является сложный многокомпонентный агрегат переменного состава – мицелла , для растворов ВМС – макромолекула .
Дисперсные системы разделяют на группы, различающиеся по природе и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:
Если дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой – твердые частицы, система называется взвесью или суспензией ;
Если дисперсная фаза представляет собой капельки жидкости , то систему называют эмульсией . Эмульсии, в свою очередь, подразделяют на два типа: прямые , или "масло в воде" (когда дисперсная фаза – неполярная жидкость, а дисперсионная среда – полярная жидкость) и обратные , или "вода в масле" (когда полярная жидкость диспергирована в неполярной).
Среди дисперсных систем выделяют также пены (газ диспергирован в жидкости) и пористые тела (твердая фаза, в которой диспергированы газ либо жидкость). Основные типы дисперсных систем приведены в таблице.
3.Строение коллоидной мицеллы.
Частицы ДФ в лиофобных коллоидах имеют сложную структуру, зависящую от состава ДФ , ДС и условий получения коллоидного раствора. Необходимым условием получения устойчивых золей является присутствие 3-го компонента, играющего роль стабилизатора.
Дисперсная частица – мицелла состоит из:
ядра , находящегося в кристаллическом или жидком состоянии;
мономолекулярного адсорбционного слоя потенциалопределяющих ионов ;
жидкостной оболочки, более уплотненной у поверхности частицы и постепенно переходящей в обыкновенную дисперсионную среду;
прочно связанного слоя противоионов , т.е. ионов несущих заряд противоположный знаку заряда потенциалопределяющих ионов ;
диффузионного слоя противоионов, свободно сдвигающихся при электрофорезе или электроосмосе.
Строение структурной единицы лиофобных коллоидов – мицеллы – может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра , получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:
AgNO 3 + KI ––> AgI + KNO 3
Коллоидная мицелла золя иодида серебра образована микрокристаллом AgI , который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag + или I - . Для получения устойчивого золя необходимо, чтобы один из электролитов AgNO 3 или KI присутствовали в избытке в качестве стабилизатора.
Если реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет адсорбировать I - ; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag + . В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд.
1. Избыток KI
Нерастворимые молекулы AgI образуют ядро коллоидной частицы (мицеллы) m [ AgI ].
На поверхности ядра адсорбируются ионы I - (обычно адсорбируются те ионы, которые входят в состав ядра, т.е. в данном случае Ag + или I -), сообщающие ему отрицательный заряд. Они достраивают кристаллическую решетку ядра, прочно входя в его структуру , образуя адсорбционный слой m [ AgI ] · nI – . Ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра и придающие ему соответствующий заряд, называются потенциалопределяющими ионами.
Адсорбированные потенциалопределяющие ионы притягивают из раствора ионы противоположного знака противоионы (К +), причем часть их (n-x) адсорбируется на частице { m [ AgI ] · nI – · (n - x ) K + } x – . Ядро + адсорбционный слой = гранула .
Оставшаяся часть противоионов образует диффузный слой ионов.
Ядро с адсорбционным и диффузными слоями представляет мицеллу.
Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы – анионы I – , противоионы – ионы К +) может быть изображена следующим образом:
{m · nI – · (n-x)K + } x– · xK +
2. При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд:
{m · nAg + · (n-x)NO 3 – } x+ · x NO 3 –
С. В. Егоров, Е. С. Оробейко, Е. С. Мухачева
Коллоидальная химия, шпаргалка
1. Возникновение и основные этапы развития коллоидной химии. Предмет и объекты исследований коллоидной химии
Возникновение науки коллоидной химии связано с исследованиями английского химика Т. Грэма . После пионерских исследований М. Фарадея (1857 г.), когда впервые были получены устойчивые коллоидные растворы высокодисперсного золота, в 1861 г. Грэм изучал диффузию разных веществ в водных растворах и обнаружил, что некоторые из них (желатин, агар-агар и т. п.) диффундируют в воде намного медленнее, чем, например, соли и кислоты. Также эти вещества при пересыщении растворов не кристаллизовались, а формировали студнеобразную, клейкую массу. Эти вещества Т. Грэм назвал коллоидами (от греч. kolla – «клей», eidos – «вид»). Так появилось название науки – «коллоидная химия» . Т. Грэм выдвинул гипотезу о существовании в природе двух противоположных классов химических веществ – кристаллоидов и коллоидов. Эта идея заинтересовала многих ученых, и во второй половине XIX в. началось бурное развитие коллоидной химии. В России в это время коллоидной химии также уделялось большое внимание, во многом под влиянием Д. И. Менделеева . Исследования температурной зависимости поверхностного натяжения органических жидкостей (1861 г.) привели Менделеева к открытию понятия критической температуры веществ. Менделеев высказал также идею о связи между поверхностным натяжением и другими свойствами вещества. В эти годы были открыты многие вещества с коллоидными свойствами, разработаны различные методы очистки и стабилизации коллоидов, созданы методы их исследования. По мере открытия новых коллоидов на смену гипотезе Т. Грэма в первой половине XX в. пришла концепция универсальности коллоидного (дисперсного) состояния вещества: «Коллоидное состояние не является обусловленным особенностями состава вещества. При определенных условиях каждое вещество может находиться в коллоидном состоянии». Эту концепцию сформулировал профессор Санкт-Петербургского горного института П. П. Веймарн в 1906–1910 гг . Он показал, что типичные коллоиды (например, желатин) можно выделить в кристаллическом виде и, напротив, из кристаллоидных веществ можно приготовить коллоидный раствор (например, поваренной соли в бензоле). Произошло смещение приоритетов коллоидной химии. Главным направлением стало изучение дисперсного (коллоидного) состояния веществ. Примерно к 1920-м гг. фундаментальные проблемы коллоидной химии условно разделили на три группы: состав, строение и свойства коллоидных частиц; взаимодействие частиц с дисперсной средой; контактные взаимодействия частиц друг с другом, приводящие к образованию коллоидных структур. В этот период были открыты основные законы коллоидной химии – закон броуновского движения и диффузии коллоидных частиц (А. Эйнштейн) , гетерогенной природы коллоидных растворов (Р. Зигмонди) , седиментационно-диффузионного равновесия дисперсий в поле силы тяжести (Ж. Перрен) и в центрифуге (Т. Сведберг) , светорассеяния (Дж. Рэлей) , коагуляции золей электролитами (Г. Шульце и В. Гарди) . Появление во второй половине XX в. высокоразрешающих методов изучения строения веществ (ЯМР, электронной и атомно силовой микроскопии, компьютерного моделирования, фотон-корреляционной спектроскопии и др.) позволило перейти к систематическому исследованию строения и свойств коллоидных систем. Современное определение данной науки гласит: коллоидная химия – это учение о свойствах и превращениях веществ в дисперсном и ультрадисперсном состояниях и поверхностных явлениях в дисперсных системах. Объекты исследования коллоидной химии имеют высокоразвитую поверхность и представляют собой различные золи, суспензии, эмульсии, пены, поверхностные пленки, мембраны и пористые тела, наноструктурированные системы (нанотрубки, пленки Ленгмюра-Блоджетт, гибридные органо-неорганические композиционные материалы, нанокомпозиты).
2. Основные особенности дисперсных систем. Особенности ультрамикрогетерогенного состояния (наносостояния)
Дисперсные системы образованы из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними, причем хотя бы одна из фаз – дисперсная фаза – распределена в виде мелких частиц (кристалликов, капель, пузырьков и т. п.) в другой, сплошной фазе – дисперсионной среде . Примерами являются горные породы, грунты, почвы, дымы, облака, атмосферные осадки, растительные и животные ткани и др. Важнейшей особенностью дисперсных систем является гетерогенность . Характерная особенность дисперсных систем – сильно развитая межфазная поверхность и, как следствие, высокая свободная энергия, поэтому обычно дисперсные системы (кроме лиофильных) термодинамически неустойчивы. Они обладают повышенной адсорбционной способностью, химической, а иногда и биологической активностью. Для дисперсных систем характерно увеличение поверхности с ростом дисперсности и возрастание роли поверхностных явлений. Дисперсные системы характеризуются очень большой удельной поверхностью W дисперсной фазы.
W < K / d r ,
где K – безразмерный коэффициент (для сферических и кубических частиц K = 6); r – плотность дисперсной фазы.
Другие важнейшие термодинамические параметры, характеризующие коллоидные системы, это удельная свободная поверхностная энергия σ (поверхностное натяжение), поверхностная энтропия h и удельная адсорбция Г . Важная особенность дисперсных систем заключается в том, что значительная доля всей массы и свободной энергии системы сосредоточены в межфазных поверхностных слоях. С этой особенностью связаны свойства – невоспроизводимость (или индивидуальность) системы в связи с неодинаковой поверхностью частиц дисперсной фазы, обладающих разной поверхностной энергией даже при одинаковой удельной поверхности; структурообразование , связанное с тенденцией к термодинамической неустойчивости. Фундаментальным свойством дисперсных систем является их способность к постепенной эволюции, которая связана с природой дисперсного состояния вещества, в первую очередь с термодинамической неравновесностью. Избыток свободной энергии, обусловленной наличием высокоразвитой поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой, стимулирует протекание различных процессов (физических, физико-химических), приводящих к уменьшению свободной энергии Гельмгольца F. Такой признак, как лабильность , является следствием термодинамической неустойчивости и склонности к уменьшению свободной энергии путем образования менее дисперсных структур. Основная характеристика дисперсных систем – размеры частиц (или дисперсность ), что определяется отношением общей площади межфазной поверхности к объему дисперсной фазы. По этому признаку выделяют грубодисперсные (низкодисперсные) (частицы имеют размер от 10–4 см и выше) и тонкодисперсные (высокодисперсные) (частицы имеют размер от 10–4 до 10–5–10–7 см), или коллоидные системы (коллоиды). Предельная степень дисперсности, при которой коллоидная система сохраняет главное свойство – гетерогенность, лежит в интервале от 1 до 100 нм. Ультрадисперсные частицы занимают промежуточное положение между молекулами (атомами, ионами) и макроскопическими телами (фазами). Размер дисперсной фазы частицы d близок к предельно возможному, тем сильнее будут сказываться масштабные эффекты – зависимость свойств от размера частиц. Если у систем со средней степенью дисперсности поверхностное натяжение s определяется только химическим составом, то для наносистем уже необходимо учитывать зависимость поверхностного натяжения от размеров дисперсных частиц.
3. Различные типы классификации дисперсных систем. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы
Дисперсные системы гетерогенны и состоят из двух фаз, одна из которых (дисперсная фаза) в виде частиц различной величины распределена в другой фазе – сплошной дисперсионной среде . Дисперсные системы классифицируют прежде всего по размеру частиц дисперсной фазы (или по степени дисперсности). Кроме того, их разделяют на группы, различающиеся по природе и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды (могут быть твердыми, жидкими и газообразными), по структуре и по характеру межфазных взаимодействий. Если дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой – твердые частицы, система называется взвесью, или суспензией; если дисперсная фаза представляет собой капельки жидкости, то систему называют эмульсией. Среди дисперсных систем выделяют также пены (газ диспергирован в жидкости), аэрозоли (жидкость – в газе) и пористые тела (твердая фаза, в которой диспергированы газ либо жидкость). Сокращенно тип дисперсной системы в зависимости от агрегатного состояния записывают в виде дроби, где дисперсная фаза находится в числителе, а дисперсионная среда – в знаменателе (например, Т/Т (твердые коллоидные растворы – минералы, сплавы), Т/Ж (золи – суспензии), Т/Г (аэрозоли – пыли, дымы); Ж/Т (пористые тела – гели), Ж/Ж (эмульсии), Ж/Г (аэрозоли – туманы); Г/Т (пористые и капиллярные системы), Г/Ж (пены – газовые эмульсии)). Системы Г/Г обычно не фигурируют в классификации, т. к. необходимое условие образования дисперсной системы – ограниченная растворимость вещества в среде.