Što proučava koloidna kemija? Fizikalna i koloidna kemija. Osnovni pojmovi i definicije

22.10.2019

Pročitajte također

Sok od crnog ribiza Prednosti soka od crnog ribiza

Sastav sira Lambert na etiketi

Svinjski lungić: opis proizvoda, sadržaj kalorija

Je li slabo usoljena pastrva zdrava?

Nježne ćufte od purećeg mesa u vrhnju Ukusne ćufte od purećeg mesa

EE "DRŽAVNA VIŠA STRUČNA I TEHNIČKA VIŠA ŠKOLA"

FIZIČKA I KOLOIDNA KEMIJA

za proučavanje discipline i izradu ispitnih zadataka za izvanredne studente ustanova koje pružaju specijalizirano srednjoškolsko obrazovanje u specijalnosti 2 „Tehnologija skladištenja i prerade životinjskih sirovina (u smjeru: meso i mesni proizvodi)“

Orša 2010

Objašnjenje……………………………………………………………………………………...3

Uvod…………………………………………………………………………………...4

Odjeljak 1. Fizikalna kemija…………………………………………………………………………………5

1.1 Agregatna stanja tvari…………………………………………………………………………………5

1.2 Osnove kemijske termodinamike………………………………………………………..5

1.3 Termokemija…………………………………………………………………………………6

1.4 Fazne ravnoteže…………………………………………………………………………………..7

1.5 Rješenja…………………………………………………………………………………….7

1.6 Osnove kemijske kinetike……………………………………………………………………………..8

1.7 Kataliza………………………………………………………………………………………………..9

Odjeljak 2 Koloidna kemija…………………………………………………………………………………...9

2.1 Površinski fenomeni…………………………………………………………………………………9

2.2 Adsorpcija………………………………………………………………………………...9

2.3 Koloidni sustavi…………………………………………………………………………………..10

2.4 Grubo disperzni sustavi………………………………………………………………….12

2.5 Visokomolekularni spojevi i njihove otopine…………………………………………………………13

Reference……………………………………………………………………………………………17

OBJAŠNJENJE

Pripremljene su preporuke za domaću provjeru znanja studenata 1. (prve) godine 2. semestra srednje stručne razine obrazovanja u specijalnosti 2 “Tehnologija skladištenja i prerade životinjskih sirovina”, smjer specijalnosti 2 “Tehnologija skladištenja i prerada životinjskih sirovina (meso i mesne prerađevine)” , kvalifikacija “Tehnički tehnolog” u disciplini “Fizikalna i koloidna kemija”.

Promotori (aktivatori)– tvari koje ubrzavaju djelovanje katalizatora. Inhibitori- tvari koje usporavaju aktivnost katalizatora. Kataliza može biti homogena i heterogena.

ODJELJAK 2. Koloidna kemija

Koloidna kemija je znanost o koloidima i površinama. Proučava sustave: grubo disperzne (čestice > 1 µm) i visoko disperzne (od 1 µm do 1 nm) Disperzni sustavi su heterogeni i sastoje se od 2 ili više faza: disperzne faze i disperznog medija. Na primjer: T/L - solovi, suspenzije, L/L - emulzije, G/L - plinske emulzije, pjene….

2.1 Površinski fenomeni

Površinski fenomeni uključuju one učinke i značajke ponašanja tvari koje

promatrana na sučelju. Uzrok površinskih pojava je posebno stanje molekula u slojevima tekućina i krutih tvari neposredno uz sučelje. Ti se slojevi jako razlikuju po mnogim karakteristikama (gustoća, viskoznost, električna vodljivost...). Proučavanje međudjelovanja u površinskim slojevima nužno je za razvoj mnogih područja znanosti i prakse, od rasvjetljavanja mehanizama atmosferskih pojava do tehnologije deterdženata, ljepila i kozmetike. U proizvodnji lijekova važnu ulogu imaju površinski fenomeni kao što su adsorpcija, vlaženje, adhezija i kohezija.

Prianjanje(adhezija) je molekularno privlačenje između površina dviju dodirujućih različitih čvrstih ili tekućih faza.

Kohezija– kohezija homogenih molekula, atoma ili iona, koja uključuje sve vrste međumolekularnog i međuatomskog privlačenja unutar jedne faze. Čvrsto i tekuće stanje imaju visoku koheziju, plinovi imaju nisku koheziju.

2.2 Adsorpcija

Procesi apsorpcije plinova ili otopljenih tvari krutim materijalima ili tekućinama mogu se odvijati kroz različite mehanizme i općenito se nazivaju sorpcija. Upijajuće tvari nazivaju se sorbenti, apsorbirani plinovi ili otopljene tvari - sorbati.

Adsorpcija naziva se spontana koncentracija na čvrstoj ili tekućoj površini tvari s nižom površinskom napetosti. Adsorbirana tvar naziva se adsorbat. Adsorbent - adsorbent. Adsorpcija je čisto površinski proces, koji se sastoji od interakcije molekula ili iona adsorbata s površinom adsorbensa zbog van der Waalsovih sila, vodikovih veza i elektrostatskih sila. Brzina ovoga

proces je velik, a adsorpcija se događa trenutačno ako je površina adsorbenta lako dostupna molekulama adsorbata. Kod poroznih adsorbensa, adsorpcija se odvija sporije i nižom brzinom, što su pore adsorbensa tanje.

Višak ili manjak otopljene tvari u površinskom sloju, po jedinici površine, označava se s G i naziva se Gibbsova adsorpcija. Ako je G > 0, tada je adsorpcija pozitivna, što je tipično za površinski aktivne tvari. Ako je G< 0 ,то адсорбция отрицательна, это характерно для ПИВ (поверхностно инактивных веществ).

Pozitivna adsorpcija naziva se adsorpcija, praćena nakupljanjem otopljenih tvari u površinskom sloju.

negativno – adsorpcija, praćena istiskivanjem otopljene tvari iz površinskog sloja u medij. Samo pozitivna adsorpcija je od praktičnog značaja.

Neporozni adsorbenti imaju vanjsku površinu, dok porozni imaju unutarnju površinu.

Vrste industrijskih adsorbenata:

Ugljen (aktivni ugljen, karbonska vlakna, grafit, tkanina...)

Mineralni (silikagel, gline).

2.3 Koloidni sustavi

Klasifikacija disperznih sustava:

1. Prema veličini čestica: - grubi (suspenzije, suspenzije, emulzije, prašci)

Koloidno raspršeni (soli)

Molekularne i ionske otopine

2. Prema agregatnom stanju: L/G – magla, aerosoli ..

T/G - dim, prašina..

G/L – pjene, plinske emulzije..

Ž/Ž - mlijeko..

T/F – suspenzije…

G/T - tvrde pjene, kruh, plovućac...

F/T - perle, gelovi...

T/T – stakla u boji, minerali, legure...

G/G – ne postoji, jer je homogena molekula, u njemu nema sučelja.

Zoli– visoko disperzne koloidne otopine vezane uz T/L sustav.

Hidrosoli – To su solovi čiji je disperzni medij voda.

Organosoli su koloidna otopinačiji je disperzni medij organska tekućina.

Aerosoli–soli s plinovitim medijem.

Liosols– solovi s tekućim medijem.

3. Prisutnošću ili odsutnošću interakcije između čestica dispergiranih faza:

slobodno raspršeni - aerosoli, liosoli, emulzije

vezano-dispergirano - gelovi, želei, pjene

4. Prema stupnju interakcije između faze i medija: liofilne (jako izražena interakcija), jofobne (slabo izražena interakcija)

Svojstva koloidnih sustava:

Brownovo gibanje. Kako se veličina čestice povećava, translatorno Brownovo gibanje prestaje, zatim nestaje rotacijsko gibanje i ostaje oscilatorno gibanje.

Difuzija je spontani proces izjednačavanja koncentracije čestica u cijelom volumenu otopine ili plina pod utjecajem toplinskog gibanja.

Osmotski tlak

Sedimentacija je proces taloženja čestica disperzne faze u tekućem ili plinovitom mediju pod utjecajem sile teže. Reverzna sedimentacija je plutanje čestica.

Viskoznost je unutarnje trenje između slojeva određene tvari koji se međusobno pomiču. Ovisi o temperaturi: s povećanjem temperature viskoznost opada

Fluidnost je suprotno svojstvo od viskoznosti.

Optička svojstva: a) raspršenje svjetlosti. U koloidnim otopinama raspršenje svjetlosti manifestira se u obliku opalescencije - mutnog sjaja, najčešće plavičastih nijansi, kada se sol osvijetli sa strane na tamnoj pozadini. Na izravnom svjetlu može izgledati crvenkasto-žute boje.

b) apsorpcija svjetlosti. Svaki medij, ovisno o svojim svojstvima, selektivno apsorbira određeni dio upadne svjetlosti. Apsorpcija svjetlosti u koloidnim otopinama komplicirana je ovisnošću apsorpcije o disperznosti. Što je manja veličina čestica sola, to se više apsorbiraju kraće valne duljine. Bijeli solovi ne apsorbiraju svjetlost.

Metode dobivanja koloidnih otopina:

Kondenzacija – povećanje čestica tijekom agregacije molekula ili iona. Temelji se na stvaranju nove faze s koloidnom disperzijom u homogenom mediju. Opći uvjet za nastanak nove faze je prezasićenost otopine ili pare. U tom slučaju nastaju nakupine nekoliko molekula koje postaju jezgre nove faze. Ulogu jezgri mogu obavljati postojeći ili uvedeni centri kristalizacije - čestice prašine, mali dodaci gotovog sola. Što je veći broj centara kristalizacije i niža brzina rasta kristala, veća je disperzija nastalih solova.

Raspršivanje – mljevenje velikih čestica do koloidne disperzije. Metode mljevenja: mehaničke (drobljenje u mlinovima) i fizikalno-kemijske ili peptizacija (svježi sediment pretvara se u sol obradom peptizatorima: otopinom elektrolita, otopinom surfaktanta ili otapalom).

Metode pročišćavanja koloidnih otopina:

-dijaliza– ekstrakcija niskomolekularnih tvari iz sola čistim otapalom pomoću polupropusne pregrade kroz koju ne prolaze koloidne čestice. Otapalo se stalno ili povremeno mijenja, čime se uklanjaju nečistoće. Nedostatak ove metode je što proces traje dugo (tjedni, mjeseci).

-elektrodijaliza- proces dijalize ubrzan primjenom električne struje. Koristi se elektrodijalizator. Čišćenje je brzo (minute, sati)

Kompenzacijska dijaliza - umjesto čistog otapala koriste se otopine određenih niskomolekularnih tvari različitih koncentracija.

- vividijaliza koristi se za intravitalno određivanje niskomolekularnih komponenti u krvi. Za analizu se u krajeve presječene krvne žile umetnu staklene kanile čiji su razgranati dijelovi međusobno spojeni cjevčicama od polupropusnog materijala te se cijeli sustav stavi u posudu napunjenu fiziološkom otopinom. . otopina soli ili vode. Tako je utvrđeno da u krvi osim slobodne glukoze postoje i slobodne aminokiseline. Ovaj princip je korišten za stvaranje uređaja "umjetnog bubrega".

-ultrafiltracija– filtriranje otopine kroz polupropusnu membranu koja omogućuje

disperzni medij s nečistoćama i zadržavajuću disperznu fazu. Kao membrane koriste se filteri od celofana, pergamenta, azbesta i keramike. Metoda vam omogućuje odvajanje koloidnih čestica u frakcije.

2.4 Grubi sustavi

Veličina čestice 1m. Čestice se mogu promatrati pod svjetlosnim mikroskopom, zbog čega se nazivaju mikroheterogenima. Tu spadaju plinoviti mediji - aerosoli, prašci i tekući mediji - suspenzije, emulzije, pjene.

Aerosoli– sustav s plinovitim medijem i čvrstom ili tekućom dispergiranom fazom. Nastaju tijekom eksplozija, drobljenja, prskanja tvari, kao i tijekom kondenzacije prezasićene vodene pare i organskih tekućina. Prema agregatnom stanju aerosoli su:

magle (L/G), dim (T/G), prašina (T/G), smog (mješoviti tip).

Značajke fizičkih svojstava aerosola povezanih s plinovitim medijem uključuju

-termoforeza– kretanje čestica aerosola prema području nižih temperatura.

-termotaloženje– taloženje čestica aerosola na hladnim površinama zbog gubitka kinetičke energije česticama. Ovo objašnjava taloženje prašine na zidovima i stropu u blizini uređaja za grijanje.

-fotoforeza– kretanje čestica aerosola pri jednostranom osvjetljenju.

Uloga aerosola je velika. Utjecaj oblaka i magle na klimu, prijenos sjemena i peludi vjetrom, primjena gnojiva. Sterilni aerosoli se koriste za sterilizaciju kirurškog polja, rana, opeklina; inhalacijski aerosoli koji sadrže antibiotike i druge lijekove; aerosoli se koriste u obliku ljepila u kirurškoj praksi za lijepljenje rana, kože, krvnih žila...

Puderi– slobodno-disperzni sustavi T/F. Svojstva pudera:

Nasipna gustoća - masa po jedinici volumena praha slobodno sipanog u bilo koji spremnik;

Adhezija - sklonost praha stvaranju agregata;

Protočnost (fluidnost) je pokretljivost čestica jedna u odnosu na drugu i sposobnost gibanja pod utjecajem vanjske sile. Ovisi o veličini čestica, vlažnosti i stupnju zbijenosti.

Higroskopnost i sposobnost vlaženja - sposobnost upijanja vlage iz okoline;

Vlažnost je omjer mase vlage u materijalu i ukupne mase materijala.

Električna provodljivost;

Zapaljivost i eksplozivnost;

Sposobnost granulacije.

Suspenzije – T/F s veličinama čestica većim nego u koloidnim sustavima. Razlika između suspenzija i koloidnih sustava:

Prolaz svjetlosti ne uzrokuje opalescenciju, već se pojavljuje kao zamućenje.

Zrake se prije lome i odbijaju nego raspršuju.

Otpornost na sedimentaciju je niska.

Čvrste čestice se brzo talože.

Koncentrirane suspenzije nazivaju se paste.

Emulzije–W/F, tekućine se ne miješaju ili se miješaju u ograničenoj mjeri. Emulzije su:

Direktno - ulje/voda, benzen/voda

Revers - voda/ulje

Emulzije su: razrijeđene, koncentrirane, visokokoncentrirane. Emulzije se brzo odvajaju. Tvari koje stabiliziraju emulziju nazivaju se emulgatori.

Pjena– disperzni sustavi G/L (manje stabilni) i G/T (stabilniji). Stabilnost pjena je niža od stabilnosti emulzija. Stabilnost pjene određena je "životnim vijekom" slobodnog filma ili mjehurića, kao i vremenom razaranja stupca pjene. Do stvaranja pjene dolazi kada plin prolazi kroz tekućinu. Bit procesa pjenjenja je da se mjehurići plina, okruženi adsorpcijskim slojem molekula surfaktanta, dižu na površinu tekućine i nailaze na film na njoj. Ako je film jak, tada se na površini nakupljaju mjehurići. Pjenjenje se koristi u procesima flotacije, gašenja požara, procesa čišćenja površina te u prehrambenoj, svemirskoj i farmaceutskoj industriji. Pjenasti aerosoli koriste se kao hemostatsko sredstvo i pripravci protiv opeklina. Tvrde pjene imaju široku primjenu: polistirenska pjena, pjenasto staklo, prirodna tvrda pjena - plovućac.

2.5 Makromolekularni sustavi i njihova rješenja

Otopine tvari velike molekulske mase (HMW) su homogeni, termodinamički stabilni, reverzibilni sustavi koji nastaju spontano i po svojoj su prirodi prave molekularne otopine.

Sličnosti s koloidnim otopinama:

Makromolekule se sastoje od mnogo tisuća atoma

Optička svojstva

Niska stopa difuzije

Nizak osmotski tlak.

Postoje: prirodni - proteini, polisaharidi, pektin. Imaju konstantnu molarnu masu;

Sintetika - plastika, sintetička vlakna...Imaju prosječnu molarnu masu.

Struktura može biti: linearna - prirodna guma;

razgranati - škrob;

prostorni – smole;

šivana - guma, ebonit.

Svojstva VMV rješenja:

1. Bubrenje - povećanje volumena i mase polimera zbog njegove apsorpcije određene količine otapala. Kvantitativna mjera bubrenja je stupanj bubrenja L, koji mogu imati zapreminski i maseni izraz L=V-V0/V0; L=m-m0/m0

Bubrenje može biti ograničeno (bubrenje želatine u vodi, bubrenje gume u benzenu) i neograničeno (bubrenje želatine u vrućoj vodi, bubrenje gume u benzinu)

2. Soljenje je proces odvajanja EMV od otopine pod utjecajem elektrolita ili neotapala.

3.Koacervacija - otpuštanje novonastale faze u obliku sitnih kapljica. Koristi se za premazivanje medicinskih proizvoda radi zaštite od utjecaja okoliša.

4. Osmotski tlak može se izmjeriti s dovoljnom točnošću pomoću Van't Hoffove jednadžbe P = cRT/ M

5. Viskoznost se povećava proporcionalno asimetriji njihovih molekula. Uz istu kemijsku strukturu molekula, viskoznost se povećava s povećanjem molekularne težine.

Želei i gelovi. Pojam gel i geliranje odnosi se na prijelaz liofobnih disperznih sustava (solova, suspenzija) u viskozno disperzno stanje. Gelovi su heterogeni dvofazni sustavi. Prijelaz polimernih otopina u netekući elastični oblik označava se pojmom geliranja ili žele. Mogu biti homo- i heterogeni. Gelovi mogu imati koagulacijsku i kondenzacijsko-kristalizacijsku strukturu. Između čestica disperzne faze sačuvani su slojevi dispergiranog medija, zbog čega se javlja određena plastičnost. Što je tanji sloj medija, veća je mehanička čvrstoća strukture, ali i veća krhkost. Gelovi su sposobni za puzanje - sporo tečenje bez primjetnog razaranja prostorne strukture, i do sinereza– postupno zbijanje strukture gela, popraćeno oslobađanjem dispergiranog medija iz kapljica mreže. Liofobni lomljivi gelovi zadržavaju svoj okvir kada se osuše. Osušeni gelovi – kserogeli– sposobni su ponovno apsorbirati tekuće medije. Suhi, lomljivi gelovi zbog svoje poroznosti imaju jako razvijenu površinu i dobri su adsorbenti (silikagel, aluminijev gel.)

Homogeni polimerni želei nastaju ili tijekom geliranja otopina linearnih i razgranatih EMV-a, ili kao rezultat bubrenja EMV-a. Primjeri želea: želatina, agar-agar, vlakna, koža.

Pitanja za test

1. Okarakterizirajte čvrsto agregatno stanje.

2. Okarakteriziraj plinovito stanje.

3. Okarakterizirajte tekuće stanje.

4. Objasnite što je otvoreni sustav.

5. Objasnite što je zatvoreni sustav

6. Objasnite što je izolirani sustav

7. Objasnite što je to homogeni sustav

8. Objasnite što je heterogeni sustav

9. Napišite matematički izraz za prvi zakon termodinamike

10. Napišite matematički izraz za drugi zakon termodinamike.

11. Definirajte pojam toplinskog učinka kemijske reakcije. Formulirajte Hessov zakon.

12. Dajte matematički prikaz zakona djelovanja mase za reakciju: H2(G)+I2(G) = 2HI(G)

13. Dajte matematički prikaz zakona djelovanja mase za reakciju: Fe(TV) + H2O(G) = FeO (TV) + H2(G)

14. Dajte matematički prikaz zakona djelovanja mase za reakciju: 4HCl (G) + O2 (G) = 2Cl2 (G) 2H2O (G)

15. Dajte matematički prikaz zakona djelovanja mase za reakciju: 2A(TV)+3 B(G)= 2C(g) +D(G)

16. Dajte matematički prikaz zakona djelovanja mase za reakciju: A(G)+3B(G) = C(G)

17. Dajte matematički prikaz zakona djelovanja mase za reakciju: 2SO2(G) + O2(G) = 2SO3(G)

18. Dajte matematički prikaz zakona djelovanja mase za reakciju: H2(G)+Cl2(G) = 2HCl(G)

19. Dajte matematički prikaz zakona djelovanja mase za reakciju: 3 A(TV) + 2B(G) = 3 C(G)+ D(G)

20. Za koliko stupnjeva treba povisiti temperaturu da se brzina kemijske reakcije poveća 32 puta? Ako je temperaturni koeficijent 2.

21. Za koliko stupnjeva treba povisiti temperaturu da se brzina kemijske reakcije poveća 64 puta? Ako je temperaturni koeficijent 2.

22. Za koliko stupnjeva treba povisiti temperaturu da se brzina kemijske reakcije poveća 256 puta? Ako je temperaturni koeficijent 2.

23. Za koliko stupnjeva treba povisiti temperaturu da se brzina kemijske reakcije poveća 81 puta? Ako je temperaturni koeficijent 3.

24. Za neutralizaciju 30 ml otopine sumporne kiseline bilo je potrebno dodati 20 ml 0,2 N otopine lužine. Odredite normalnost uzete otopine kiseline

25. Za neutralizaciju 40 ml otopine klorovodične kiseline bilo je potrebno dodati 28 ml 0,2 N otopine lužine. Odredite normalnost uzete otopine kiseline

26. Za neutralizaciju 50 ml otopine dušične kiseline bilo je potrebno dodati im 24 ml 0,2 N otopine lužine. Odredite normalnost uzete otopine kiseline

27. Za neutralizaciju 40 ml otopine lužine bilo je potrebno dodati im 24 ml 0,2 N otopine klorovodične kiseline. Odredite normalnost uzete otopine lužine.

28. Za neutralizaciju 20 ml otopine sumporne kiseline bilo je potrebno dodati 14 ml 0,2 N otopine lužine. Odredite normalnost uzete otopine kiseline

29. Za neutralizaciju 30 ml otopine lužine bilo je potrebno dodati im 24 ml 0,2 N otopine sumporne kiseline. Odredite normalnost uzete otopine lužine.

30. Za neutralizaciju 50 ml otopine sumporne kiseline bilo je potrebno dodati 25 ml 0,2 N otopine lužine. Odredite normalnost uzete otopine kiseline

31. Za neutralizaciju 45 ml otopine sumporne kiseline bilo je potrebno dodati 35 ml 0,2 N otopine lužine. Odredite normalnost uzete otopine kiseline

32.Koja je razlika između homogene i heterogene katalize

33. Definirajte pojam koloidne kemije. Koje je njegovo značenje?

34.Navedite karakteristike adsorpcije.

35. Navedite primjere klasifikacije disperznih sustava.

36.Objasnite razliku između pojmova hidrosol, organosol, aerosol, liosol.

37.Objasnite razliku između liofobnih i liofilnih disperznih sustava.

38.Objasnite što je viskoznost, o čemu ovisi i kako se određuje.

39. Okarakterizirajte kondenzacijsku metodu za dobivanje koloidnih otopina.

40. Opišite disperzijsku metodu.

41.Objasnite po čemu se dijaliza razlikuje od elektrodijalize.

42.Objasnite razliku između kompenzacijske dijalize i vividijalize.

43.Što je ultrafiltracija i čemu služi.

44. Okarakterizirajte aerosole.

45.Okarakteriziraj prahove.

46. Navedite usporedni opis suspenzije i emulzije.

47. Opišite pjene.

48. Opiši Drugi svjetski rat.

49.Objasnite razliku između želea i gela.

*Šifra učenika*	*posao br.*	*posao br.*	*posao br.*	*posao br.*
13z – 1, 14z-1
13z – 2, 14z-2
13z – 3, 14z-3
13z – 4, 14z-4
13z – 5, 14z-5
13z – 6, 14z-6
13z – 7, 14z-7
13z – 8, 14z-8
13z – 9, 14z-9
13z – 10, 14z-10
13z – 11, 14z-11
13z – 12, 14z-12
13z – 13, 14z-13
13z – 14, 14z-14
13z – 15, 14z-15
13z – 16, 14z-16
13z – 17, 14z-17
13z – 18, 14z-18
13z – 19, 14z-19
13z – 20, 14z-20
13z – 21, 14z-21
13z – 22, 14z-22
13z – 23, 14z - 23

BIBLIOGRAFIJA:

1. Ahmetov i koloidna kemija. – M.: Viša. škola, 1986.

2. Fizikalna i koloidna kemija. – M.: Viša. škola, 1977.

3. Kireyev tečaj fizičke kemije. – M.: Viša. škola, 1980.

4. Kien i koloidna kemija. – M.: Izdavačka kuća. Centar "Akademija", 2007.

5. Evstratova i koloidna kemija. – M.: Viša. škola, 1985.

Koloidna kemija je znanost o fizikalnim i kemijskim svojstvima disperznih sustava i površinskih pojava.

Disperzni sustav (DS) je sustav u kojem je najmanje jedna tvar u više ili manje usitnjenom (disperziranom) stanju jednoliko raspoređena u masi druge tvari. DS je heterogen; sastoji se od najmanje dvije faze. Usitnjena faza naziva se dispergirana faza. Kontinuirani medij u kojem je disperzna faza usitnjena naziva se disperzijski medij. Karakteristično svojstvo DS je prisutnost velike međufazne površine. U tom smislu, determinirajuća svojstva su svojstva površine, a ne čestica u cjelini. DS karakteriziraju procesi koji se odvijaju na površini, a ne unutar faze.

Površinski fenomeni i adsorpcija

Površinski fenomeni su fenomeni koji se javljaju na granici između faza disperziranih sustava. Tu spadaju: površinski napon, vlaženje, adsorpcija itd. Najvažniji tehnički procesi temelje se na površinskim pojavama: pročišćavanje zraka i otpadnih voda od štetnih nečistoća, obogaćivanje mineralnih ruda (flotacija), zavarivanje metala, čišćenje, podmazivanje, bojanje razne površine i mnoge druge.

Površinska napetost

Svako međufazno sučelje ima posebna svojstva koja se razlikuju od svojstava unutarnjih dijelova susjednih faza. To je zbog činjenice da površinski slojevi imaju višak slobodne energije. Razmotrimo sustav koji se sastoji od tekućine i plina (slika 1).

Po molekuli A, koji se nalazi unutar tekućine, sile međusobnog privlačenja djeluju na sve susjedne molekule koje ga okružuju. Rezultanta tih sila je nula. Za molekulu U, koji se nalazi na površini tekućine, neće se kompenzirati sve sile molekularne privlačnosti. To je zbog činjenice da su u plinu molekule daleko jedna od druge, a privlačne sile među njima su zanemarive. Prema tome, molekule U doživite privlačnost samo od tekućine. Za njih rezultanta sila molekularnog privlačenja nije nula i usmjerena je duboko u tekuću fazu. Ova sila se zove unutarnji pritisak. Ovaj pritisak nastoji povući sve molekule s površine duboko u tekućinu. Pod tim pritiskom tekućina se skuplja i ponaša kao da ima "kožu". Što su međumolekulske interakcije u susjednim fazama različite, veći je unutarnji tlak.

Da bi se stvorilo novo sučelje faza, na primjer, da se tekućina razvuče u film, potrebno je utrošiti rad protiv unutarnjih sila pritiska. Što je veći unutarnji tlak, potrebno je više energije. Ta je energija koncentrirana u molekulama koje se nalaze na površini i naziva se slobodna površinska energija.

Rad utrošen na formiranje 1 cm 2 međupovršine faza, ili njegova ekvivalentna slobodna površinska energija, naziva se površinska napetost i označavaju  , J/m 2. Tada je rezerva slobodne energije (F s) koncentrirana na granici faza (S) jednaka: F s = S. Prema tome, što je manja veličina čestica, to je veća površina S, a veća rezerva slobodne površinske energije ovaj raspršeni sustav ima u usporedbi s konvencionalnim masivnim tijelima.

Iz termodinamike je poznato da uvjet za stabilnu ravnotežu sustava je minimalna slobodna energija. S tim u vezi disperzni sustavi su termodinamički nestabilni: u njima procesi se odvijaju spontano , povezano sa smanjenjem faznog sučelja zbog povećanja čestica. Očito, stanje ravnoteže odgovara raslojavanje sustava (npr. emulzija se dijeli na dvije tekućine, a suspenzija se dijeli na tekućinu i sediment). Osim toga, budući da vrijednost   teži minimumu, tekućina u slobodnom stanju uzima oblik sfere, (kapi tekućine). To se objašnjava činjenicom da je površina lopte minimalna za dati volumen materije.

Minimalna vrijednost F s, odnosno stanje ravnoteže sustava, može se postići i težnjom minimalne vrijednosti  . Tako, spontano u disperziranim sustavima također postoje procesi povezani sa smanjenjem površinske napetosti. Za čvrste tvari , koji ne mogu promijeniti svoj oblik tako lako kao tekućine, slobodna površinska energija F s može se smanjiti samo jedan način ─ zbog smanjenja površinske napetosti . To se događa ovako: molekule koje leže u površinskom sloju mogu privući i ponekad vrlo čvrsto držati druge molekule iz okoline koja okružuje krutinu. Ova pojava se zove sorpcija.

Na vrijednost površinske napetosti utječu:

1. Priroda tvari . Veličina  je određena strukturom kondenzirane faze, odnosno prirodom sila koje djeluju između čestica. Što je veća polarnost kemijskih veza u tvari, to su veće vrijednosti    karakteristika ove tvari. Među tekućinama (na granici sa zrakom) najveću vrijednost ima voda. Čak i veće vrijednosti  opaža se u talinama ionskih kristala i čvrstih metala.

2.Temperatura. Kako temperatura raste, vrijednost  smanjuje, budući da toplinsko gibanje čestica pri zagrijavanju slabi djelovanje međučestičnih sila u tvari.

3.Koncentracije dodanih aditiva. Veličina  ovisi o koncentraciji tvari otopljenih u ispitivanoj tekućini. Postoje dvije vrste tvari. Površina ─ neaktivne tvari (PIS), podizanje površinska napetost otopine u usporedbi s čistim otapalom. To uključuje većinu jakih elektrolita.

Surfaktanti (surfaktant), snažno degradiranje površinska napetost nastale otopine. S povećanjem koncentracije surfaktanta u otopini, vrijednost  naglo opada, budući da je tvar koncentrirana (sorbirana) u površinskom sloju otopine i nije ravnomjerno raspoređena po volumenu otopine. U vodenim otopinama polarni organski spojevi pokazuju površinsku aktivnost ─ alkoholi, kiseline, soli itd. Molekule takvih spojeva istovremeno sadrže polarne skupine (O, OH, COOH, NH 2) i nepolarni ugljikovodični lanac. Shematski, molekula surfaktanta konvencionalno se označava na sljedeći način: "O────". Tipičan primjer surfaktanta je natrijeva sol stearinske kiseline C 17 H 35 COONa (kruti sapun).

Koloidna kemija

Koloidni sustavi i predmet koloidne kemije

Koloidni sustavi

Povijesna referenca

U početku je koloidna kemija bila samo poglavlje fizikalne kemije. Sada je to neovisna disciplina sa svojim vlastitim rasponom ideja. Razvijene su posebne specifične koloidno-kemijske metode istraživanja: ultramikroskopija, elektronska mikroskopija, ultracentrifugiranje, elektroforeza itd. Praksa je pokazala ogroman značaj koloidne kemije za suvremenu tehnologiju. Nemoguće je naznačiti granu narodnog gospodarstva u kojoj se ne bi koristili koloidni sustavi i koloidni procesi. Koloidnim sustavima čovjek se bavi od pamtivijeka. Međutim, njihovo proučavanje počelo je relativno nedavno.

Obično se smatra da je utemeljitelj koloidne kemije engleski znanstvenik Thomas Graham (*) (1805-1869), koji je 50-60-ih godina prošlog stoljeća uveo u opticaj osnovne koloidne kemijske pojmove. No, ne treba zaboraviti da je imao i prethodnike, a prije svega Jacoba Berzeliusa (*) i talijanskog kemičara Francesca Selmija (*). U 30-im godinama 19. stoljeća Berzelius je opisao niz sedimenata koji pri ispiranju prolaze kroz filtar (silicijeva i vanadinska kiselina, srebrni klorid, prusko plavo itd.). Berzelius je te taloge koji prolaze kroz filtar nazvao "otopinama", ali je istovremeno ukazao na njihovu blisku srodnost s emulzijama i suspenzijama, s čijim je svojstvima bio dobro upoznat. Francesco Selmi 50-ih godina 19. stoljeća nastavio je rad u tom smjeru, tražeći fizikalno-kemijske razlike između sustava nastalih prolaskom sedimenata kroz filter (nazvao ih je “pseudo-otopine”) i običnih pravih otopina.

Engleski znanstvenik Michael Faraday (*) 1857. sintetizirao je koloidne otopine zlata - suspenziju Au u vodi veličine čestica od 1 do 10 nm. i razvio metode za njihovu stabilizaciju.

Ove "pseudo-otopine" raspršuju svjetlost, tvari otopljene u njima talože se kada se dodaju male količine soli, prijelaz tvari u otopinu i taloženje iz nje nije popraćeno promjenom temperature i volumena sustava, što se obično opaža kod otapanja kristalnih tvari.

Thomas Graham razvio je te ideje o razlici između "pseudo-otopina" i pravih otopina i uveo koncept "koloida". Graham je otkrio da tvari koje mogu stvarati želatinozne amorfne sedimente, kao što su aluminijev hidroksid, albumin, želatina, difundiraju u vodi malom brzinom u usporedbi s kristalnim tvarima (NaCl, saharoza). Istodobno, kristalne tvari lako prolaze kroz pergamentne ljuske u otopini ("dijaliziraju"), ali želatinozne tvari ne prolaze kroz te ljuske. Uzimajući ljepilo kao tipičnog predstavnika želatinoznih, nedifuzibilnih i nedijalitičkih tvari, Graham im je dao opći naziv “koloid”, tj. ljepilo (od grčke riječi kolla - ljepilo). Kristalne tvari i tvari koje su dobre u difuziji i dijalizi nazvao je "kristaloidima".

Nabrojimo anomalna svojstva nekih otopina, koje danas nazivamo koloidnim sustavima.

Svojstva koloidnih sustava:

1. raspršenje svjetlosti (opalescencija) (ukazuje na heterogenost, višefazni sustav).

Opalescencija postaje osobito uočljiva ako se, kao što je Tyndall učinio (*), snop konvergentnih zraka propusti kroz koloidnu otopinu, postavljajući leću između izvora svjetlosti i kivete s otopinom. U tom slučaju otopine koje su prozirne u propuštenoj svjetlosti pokazuju sva svojstva mutnih medija pri bočnom osvjetljenju. U koloidnoj tekućini gledano sa strane nastaje svijetli svjetleći stožac (Tyndallov stožac).

2. spora difuzija

3. nizak osmotski tlak

(točke 2 i 3 označavaju prisutnost velikih čestica u sustavu)

4. koloidne otopine su sposobne za dijalizu, t.j. može se odvojiti od nečistoća pomoću membrane

5. sposoban za koagulaciju (razaranje) sustava pri: dodavanju nečistoća, promjeni T, miješanju itd.

6. ponekad otkrivaju fenomen elektroforeze, koji je otkrio Reuss (6) u Rusiji 1808. godine, t j . čestice u sustavu mogu imati naboj.

Da biste zamislili čime se bavi znanost "Koloidna kemija", morate odgovoriti na pitanje što su koloidi ili koloidni sustavi?

Predmet koloidne kemije

Koloidna kemija – znanost o površinskim pojavama i raspršenim sustavima.

DO površne pojave To uključuje procese koji se odvijaju na međufazi, u međufaznom površinskom sloju i nastaju kao rezultat međudjelovanja konjugiranih faza.

Podsjetimo da faza je dio termodinamičkog sustava koji ima određena fizikalna i kemijska svojstva i odvojen je od ostalih dijelova sustava sučeljem.

U pravim otopinama, tvar je usitnjena do molekularnog stanja i nema sučelja između otopljene tvari i otapala.

Uzrok površinskih pojava je postojanje na granici dodirujućih faza nezasićenog polja međuatomskih, međumolekulskih sila, koje nastaje zbog različitog sastava i strukture dodirujućih faza i razlika u vezama njihovih površinskih atoma i molekula.

Površinski slojevi tekućih i čvrstih tijela koji graniče s faznom granicom oštro se razlikuju u mnogim fizičkim i kemijskim pokazateljima od svojstava faza duboko u njihovom volumenu (specifična energija, gustoća, viskoznost, specifična električna vodljivost itd.). Razlike su također povezane s određenom orijentacijom molekula u površinskim slojevima i njihovim različitim energetskim stanjem u usporedbi s molekulama u masi. Osim toga, u višekomponentnim sustavima (otopinama) sastav površinskog sloja ne podudara se sa sastavom skupnih faza.

Svojstva površinskih slojeva posljedica su prisutnosti viška površinske energije. Svojstva sučelja imaju to jači utjecaj na ponašanje sustava u cjelini što je veća površina (Ssp). To objašnjava dominantnu ulogu površinskih pojava u svojstvima visoko disperznih sustava, čiji Ssp doseže enormne vrijednosti.

Prisutnost viška energije u površinskom sloju molekula posljedica je nepotpune kompenzacije međumolekulskih sila privlačenja među molekulama površinskog sloja zbog njihove slabe interakcije sa susjednom fazom.

Studije koloidne kemije disperzirani sustavi – heterogeni sustavi koji se sastoje od dvije ili više faza od kojih jedna disperzirana faza - fragmentirano (diskontinuirano), a drugo - disperzijski medij - kontinuirani je dio sustava.

Koncept mikroheterogene prirode koloidnih otopina i drugih disperznih sustava od temeljne je važnosti. Za njegovo otkriće austrijski znanstvenik Zsigmondy (*) dobio je Nobelovu nagradu za kemiju 1925. godine.

Izdvajanje raspršenih čestica u posebnu skupinu uzrokovano je njihovom razlikom u fizikalnim i kemijskim svojstvima od sličnih svojstava velikih tijela iste tvari. Takva svojstva uključuju čvrstoću, toplinski kapacitet, T pl, magnetske i električne karakteristike, reaktivnost.

Te su razlike uzrokovane učincima veličine. Što je veličina čestica manja, posebna svojstva su izraženija, a to se posebno odnosi na nanočestice. Ova svojstva otvaraju potpuno nove praktične primjene u kemiji, fizici i biologiji. Proučavanje svojstava raspršenih čestica (metode proizvodnje, struktura, fizika i kemija) jedan je od najhitnijih i najperspektivnijih zadataka u nizu disciplina.

Raspršene čestice mogu imati vrlo različite oblik : cilindrični, sferni, pravokutni, nepravilni. Na primjer, raspršene čestice uključuju:

sustavi s kubičnim, sfernim česticama - solovi, emulzije, suspenzije, paste;

filamentozni – vlakna živčanih stanica, dvodimenzionalna mišićna vlakna, kapilare, pore (drvo, tkivo, kosa, koža),

filmovi - površinski slojevi na sučeljima u emulzijama, pjenama, u porama katalizatora i adsorbenata, membrane.

Tako se 1 m 3 polazne tvari može usitniti u kocke s duljinom ruba A, povucite u nit s presjekom A ili spljoštiti u debeli film A.

Ako čestice imaju nepravilan oblik, onda se za korištenje koncepta "poprečne veličine" njihov oblik izjednačuje s kuglastim s ekvivalentnim promjerom.

Kvantitativne karakteristike disperznog sustava:

1. Veličina čestica d avg, d min, d max

2. Koncentracija čestica ν = n d /V, gdje je n d broj čestica disperzne faze po jedinici volumena disperzijskog medija V

3. Fragmentaciju sustava karakterizira disperzija D I specifična površina disperzne faze Ssp:

Prva opcija za kvantitativnu procjenu je Osnovni, temeljni

D = 1/d I S otkucaj = S / V,(1.1)

Gdje d– minimalna veličina čestica, S – V- volumen tijela.

Na primjer, za kubičnu česticu s veličinom ruba

d = 10 -8 m S otkucaj = 6d 2 / d 3 = 6/ d = 6 *10 8 m -1

Za navoj s presjekom d 2 = 10 -8 * 10 -8 S otkucaj = 4* 10 8 m -1

Za debljinu ploče d= 10 -8 m S otkucaj = 2 *10 8 m -1

Za sustave koji sadrže sferne čestice polumjera r S otkucaj = 4πr 2 / 4/3πr 3 = 3/ r

Druga opcija (u udžbeniku Moskovskog državnog sveučilišta - Shchukin):

D=S/V,(1.2)

Gdje S – ukupna površina međufaze, V- volumen tijela,

S otkucaj = S /∑m = D / ρ, Gdje ρ= gustoća date tvari.

Dakle, koloidni sustavi imaju dvije karakteristične osobine :

1. heterogenost

2 disperzija.

Naravno, prvi od njih ima dominantnu važnost za koloidne sustave, budući da u nedostatku fazne granice ne nastaju površinski fenomeni.

Međumolekulske veze

Međumolekulske interakcije mogu biti različitih vrsta:

1. kemijske veze – nastaju preklapanjem elektronskih orbitala i stoga su vrlo specifične

2. vodikove veze nastaju između molekula koje sadrže funkcionalnu skupinu - OH: kiseline, lužine, voda i druge tvari -

silika gel - Si – OH H

3. Van der Waalsove sile (*) (molekularne veze) koje djeluju između bilo kojih molekula.

Razlike između molekularnih sila privlačenja i kemijskih :

a) po energetskoj vrijednosti: E mol = 5 - 50 kJ/mol

E kemijski = 80 – 800 kJ/mol

b) molekularne sile su nespecifične

c) razlika u rasponu

r kemijski ~ 10 -8

r mol > 10 -7 cm

d) molekularne sile su aditivne, a kemijske veze zasićene

Sile molekularne interakcije uključuju:

A) orijentacijske snage (Keezoma) (*)

Nastaju između polarnih molekula kao rezultat međudjelovanja dipolnih momenata. Zbog interakcije dipol-dipol, molekule dobivaju određenu orijentaciju jedna u odnosu na drugu

Energija orijentacijske interakcije jako ovisi o udaljenosti između molekula:

E μˉ1/ μˉ2 = - A 1 /r 6 (2.1)

U polarna molekula – težište “+” i “-” naboja se ne poklapa (dipolni moment μˉ i ≠ 0).

Stupanj polariteta ovisi o dipolnom momentu μˉ i . Polaritet višeatomnih molekula određen je polaritetima pojedinačnih veza i njihovim međusobnim položajem.

U nepolarne anorganske tvari ubrajamo: elemente, simetrične molekule plina, neke soli (metalni sulfidi).

Pri razmatranju polarnosti ili nepolarnosti organskih molekula treba obratiti pozornost ne samo na prisutnost polarne skupine u molekuli, već i na njihov položaj u strukturnoj formuli molekule.

Na primjer:

b) indukcijske sile (Debyeove sile (*)). Dipol u nepolarnoj molekuli nastaje u električnom polju ili pod utjecajem polja polarne molekule.

Energija vezanja ovisi o polarizabilnosti molekula i također se jako smanjuje s povećanjem udaljenosti:

E ind = - A 2 /r 6 (2,2)

V) disperzijske sile (Londonove sile (*)) djeluju između svih molekula. Nastaju zbog kontinuiranog kretanja elektrona u atomima, što dovodi do stvaranja trenutnih dipola. S druge strane, električno polje trenutnog dipola jednog atoma inducira dipolni moment susjednog, što dovodi do pojave privlačnih sila.

E disp = - A 3 /r 6 (2,3)

Točnije , (2.4)

gdje je α polarizabilnost molekule.

Disperzijske sile privlačenja ne ovise o temperaturi.

Molekulske sile se brzo smanjuju kako se udaljenost između molekula povećava.

Razmotrimo odnose između pojedinih sila privlačenja molekula (tablica 2.1):

Tablica 2.1

Definicije površinske napetosti

Uzmimo objekt takve konfiguracije da se pri lomu klizne ravnine formiraju dva sastavna dijela s površinom S. Pri lomu tijela utroši se određeni rad na prekid međumolekulskih sila. Naravno, ovaj rad je proporcionalan površini međufazne površine:

sl.2.2. Prema definiciji površinske napetosti kao rada formiranja jedinice površine

Na novoj površini nastaje sloj molekula koje imaju više energije od molekula unutar faze. Koeficijent proporcionalnosti između rada i međufazne površine naziva se koeficijent površinska napetost ili jednostavno površinska napetost .

Na temelju gornje jednadžbe vidljivo je fizičko značenje površinske napetosti kao rada:

1. Površinska napetost je brojčano jednaka radu reverzibilne izotermne formacije po jedinici površine

Koncept reverzibilan proces nameće određeno ograničenje na korištenje ove definicije, budući da se svaka granica faze ne može dobiti reverzibilno gornjim razmišljanjem. Na primjer, dobivanje novog područja t/g sučelja ne može se dobiti reverzibilno, jer U stvarnosti je potrebno uzeti u obzir ireverzibilnu deformaciju molekula. Stoga se često koristi definicija površinske napetosti kao specifične površinske energije.

2. Fazno sučelje ima višak nekompenzirane energije. Ovaj višak po jedinici površine je specifična slobodna površinska energija .

Da bi se povećala površina tekuće faze, potrebno je prevladati unutarnji tlak i izvršiti određeni mehanički rad. Ako se povećanje površine provodi pri P, T = const ili V, T = const, tada je to popraćeno povećanjem površinske energije sustava.

Termodinamička definicija površinske napetosti slijedi iz kombinirane jednadžbe prvog i drugog principa termodinamike.

Zapišimo to za heterogeni sustav s obzirom na unutarnju energiju U: dU = TdS – PdV +σdS +∑μ i dn i +φ dq (2.8)

za S, V, n i i q = const dU = σ dS (2.9)

Odavde dobivamo, , (2.10)

oni. površinska napetost – parcijalni izvod unutarnje energije s obzirom na površinu sučelja pri konstantnoj entropiji, volumenu, broju molova tvari i površinskom naboju.

Budući da se kombinirana jednadžba može napisati s obzirom na druge termodinamičke potencijale, tada s odgovarajućim konstantnim parametrima dobivamo:

Budući da se najčešće bavimo procesima koji se odvijaju u izobarno-izotermni uvjeti, tada možete pronaći sljedeću definiciju:

Površinska napetost σ je višak specifične površinske Gibbsove energije (*) .

Za pojedinačne tvari ova definicija je prilično stroga. Za jedinicu površine možemo napisati:

"Redundancija" znači da je energija površinskih molekula tekućine veća od energije molekula u njenom unutarnjem volumenu.

3) Površinska napetost osim energetskog (termodinamičkog) fizikalnog značenja ima i snaga (mehanička). Jednostavan eksperiment bi ovo mogao razjasniti:

sl.2.3. Dupre okvir (*)

Pomična prečka AD duljine l postavljena je na žičani okvir i lako klizi po okviru. Umočite okvir u otopinu sapuna i vode. Na okviru se formira dvostrani sapunski film koji zateže dio okvira duljine l. Djelujmo prema dolje silom F (opterećenje G) na pomični prečnik AD. Pod djelovanjem sile F prečka AD pomaknut će se za beskonačno malu udaljenost dx i zauzeti položaj A׳ D׳.

Sila F će proizvesti rad dW=Fdx. (2.13)

Ako je T = const, tada se ovaj rad troši samo na povećanje površine filma: dS = 2l dx (2.14)

dW = σ dS. (2.15)

Odredimo uvjet mehaničke ravnoteže sile prečke AD kada djeluje sila F:

dW = F dx = σ dS = σ 2l dx. (2.16)

Takvu ravnotežu osigurava sila koja je usmjerena u suprotnom smjeru i jednaka je: σ = F/2l. (2.17)

Temperatura T

Učinak aditiva

Površinska napetost otopina različita od površinske napetosti otapala. Ovisnost σ l/g = f(C) kada se poziva T=const izoterma površinske napetosti. Znak dσ/ds ukazuje na prirodu ovisnosti σ o koncentraciji C. Složimo se da izotermu površinske napetosti razmotrimo samo za vodene otopine, dakle, pri C = 0, površinska napetost σ o jednaki σ N2o na danoj temperaturi.

sl.2.6. Izoterme površinske napetosti na granici l/g ovisno o koncentraciji otopljene tvari

Za vodene otopine postoje 3 glavne vrste izotermi:

1. surfaktanti, koji ne mijenjaju površinsku napetost (krivulja 1).

2. surfaktanti (elektroliti), koji disociraju u vodi stvarajući ione koji su dobro hidratizirani jer E ion/H2O >E H2O/H2O, stoga se ioni intenzivno uvlače u dubinu otopine, dσ/ds > 0(krivulja 2).

Za faznu granicu voda-zrak to su soli, lužine, mineralne kiseline, t.j. bilo koji spojevi koji u otopini tvore samo anorganske ione. Njihovo djelovanje se objašnjava na sljedeći način: privlačne sile iona i dipola vode jače su od dipola jedni prema drugima, stoga, kada se PIP otopi u vodi, povećavaju se međumolekularne interakcije u površinskom sloju, a posljedično i σ .

Učinak povećanja σ od dodavanja PIV u vodu obično je beznačajan. To se može vidjeti na slici 2.5. Tako je površinski napon čiste vode pri 20°C 72,8 mJ/m2, za 1% otopinu NaOH 73,0 mJ/m2, a tek za 10% otopinu NaOH doseže 77,5 mJ/m2.

3. surfaktanti, koji smanjuju površinsku napetost na granici (krivulja 3).

Sposobnost smanjenja površinske napetosti naziva se površinska aktivnost (2.20)

Surfaktanti uključuju organske molekule s asimetričnom molekularnom strukturom, koje se sastoje od polarnih i nepolarnih skupina - s difilnom strukturom (slika 2.7) :

polarna skupina: -COOH; - -NO 2; -CHO; - ON; -NH2; SO2OH

nepolarni ugljikovodik-

radikal

Riža. 2.7. Konvencionalna slika molekule surfaktanta

Polarne skupine u vodi su hidratizirane, a nepolarni dio molekula surfaktanta predstavlja hidrofobni ugljikovodični lanac ili radikal.

Molekula surfaktanta, zbog svoje amfifilne strukture, različito međudjeluje s molekulama vode u otopini: polarni dio se lako hidratizira (zbog toga se molekule tenzida otapaju - ovaj proces je energetski vrlo povoljan), nepolarni ugljikovodični radikal, slabo međusobno djelujući s vodom, sprječava međumolekularnu interakciju dipola vode međusobno.

E H2O/H2O > E H2O/Surfaktant (podsjećamo da je međudjelovanje molekula vode dosta snažno - orijentacijsko, induktivno, disperzivno, plus vodikove veze), stoga je energetski povoljnije ukloniti nepolarni dugi ugljikovodik radikali iz volumena.

Kao rezultat toga, na površini se formira na određeni način orijentirani adsorpcijski sloj, u kojem je polarni dio okrenut prema vodi, a nepolarni radikal prema kontaktnoj fazi (npr. zraku). Time se smanjuje višak površinske energije, a time i površinska napetost.

Krivulja 3 na sl. 2.6. karakterizira ovisnost σ=f(S) za vodene otopine polarnih organskih tvari s nedugim lancima i nedisocirajućim ili slabo disocirajućim skupinama alifatskih alkohola, amina, masnih kiselina. Kod njih površinska napetost prvo pada linearno, a zatim logaritamski.

Ova vrsta ovisnosti σ=f(S) dobro je opisana empirijskom jednadžbom Šiškovskog: σ= σ o – V ln(1+A S). (2.21)

O fizičkom značenju koeficijenata A i B raspravljat ćemo nešto kasnije.

(Vrijednost konstante A raste 3-3,5 puta pri prelasku na homolog, a B = RTG ∞, gdje je G ∞ granična adsorpcija)

Obično ga ne dajem da se ne zbunim:

Postoji velika skupina površinski aktivnih tvari s velikim hidrofobnim radikalom i visoko hidratantnom polarnom skupinom. U otopinama takvih spojeva, s porastom koncentracije do određene kritične vrijednosti - CMC (kritična koncentracija micelizacije), nastaju micele - agregati usmjerenih molekula surfaktanta. Površinska napetost takvih otopina određena je pojedinačnim molekulama tenzida jer micele gotovo ne smanjuju površinsku napetost otopine – krivulja 4.

2.2.4. Eksperimentalne metode za određivanje površinske napetosti

Glavna karakteristika svojstava faznog sučelja - specifična slobodna površinska energija i numerički jednaka vrijednost površinskog napona mogu se relativno lako i s velikom točnošću odrediti za lako pomične sučelje - l / g i l 1 / l 2.

Postoji veliki broj metoda za određivanje površinske napetosti. Zadržimo se na općim načelima glavnih metoda za mjerenje σ na granici l/g.

Za mjerenje površinske napetosti pojedinačnih tekućina prikladna je svaka metoda. Otopine imaju iste rezultate mjerenja površinska napetost različite metode mogu se jako razlikovati zbog sporog uspostavljanja ravnotežne raspodjele otopljenih tvari između novonastale površine i volumena otopine.

Za ispravan odabir metode istraživanja potrebno je uzeti u obzir kinetiku uspostavljanja ravnotežnih vrijednosti površinske napetosti. Na primjer, difuzija molekula surfaktanta na međupovršinu odvija se prilično sporo; u kratkom vremenu mjerenja, njihova ravnotežna površinska koncentracija nema vremena da se uspostavi, a molekule nemaju vremena da se pravilno orijentiraju u površinskom sloju. Stoga za mjerenje σ u ovom slučaju treba koristiti statičke ili polustatičke metode, ali ne i dinamičke.

Pogledajmo neke od najčešćih statičkih i polustatičkih metoda za određivanje površinske napetosti.

1. Statički – temelje se na proučavanju stabilnog ravnotežnog stanja u koje sustav spontano dolazi. To uključuje metode: balansiranje ploče, kapilarni porast, sesilni ili viseći pad.

Wilhelmyjeva metoda (*) (metoda balansiranja ploča).

Tanka ploča debljine d, postavljena na balansnu gredu, uronjena je u tekućinu koja se proučava, koja dobro navlaži njezinu površinu. Menisci se formiraju na površini ploče. Oblik njihove površine i najveća visina dizanja tekućine određena je Laplaceovom jednadžbom.

Težina ploče se određuje statički i kada se skine s površine. Ukupna težina tekućine (i, prema tome, sila F koja se mora primijeniti da uravnoteži ploču) po jedinici parametra ploče ne ovisi o obliku meniskusa i pri θ =0 jednaka je površinskoj napetosti:

, (2.22)

Metoda kapilarnog dizanja temelji se na korištenju proračuna površinske napetosti pomoću Jurinove formule (*):

, (2.23)

gdje je H visina tekućine koja se diže u kapilari, ρ i ρ o gustoće tekućine i njezine zasićene pare, θ kontaktni kut vlaženja, g gravitacijsko ubrzanje.

Razlika tlaka koja se javlja s obje strane površine tekućine kada se ona savija naziva se kapilarni tlak. Ako je kapilara uronjena u tekućinu, tada uslijed kvašenja ili nekvašenja stijenki kapilare nastaje menisk, t.j. dolazi do zakrivljenosti površine tekućine i kapilarnog tlaka.

Pod njegovim utjecajem granica tekućine se pomiče sve dok se ne uspostavi ravnoteža između hidrostatskog tlaka i kapilarnog tlaka. U tom slučaju tekućina za vlaženje se diže, a tekućina koja ne vlaži pada. Mjerenja σ proizveden u uređaju koji je shematski prikazan na sl. 2.8. Tekućina koja se ispituje ulije se u široku epruvetu (vidi shemu uređaja), zatim se katetometrom izmjeri visina kapilarnog uspona h. Ovisi o površinskoj napetosti tekućine:

Riža. 2.8. Shema uređaja za mjerenje površinske napetosti tekućina metodom kapilarnog dizanja: 1- kapilara, 2 široka cijev.

Tekućina u kapilari se diže prema gore dok se hidrostatski tlak P ne uravnoteži s kapilarnim tlakom P σ (P σ = 2σ/r), r = r o / cosθ. Koriste se tanke kapilare koje osiguravaju sferičnost meniskusa, dobro nakvašene tekućinom, pa se proračun može pojednostaviti (kut θ ≈ 0 o).

Grupa metoda (sjedeći ili viseći pad) temelje se na proučavanju oblika kapi u gravitacijskom polju. U tim slučajevima uzima se u obzir odstupanje njihovog oblika od sfernog. Ova metoda je vrijedna za određivanje površinske napetosti pri visokim temperaturama. U tim slučajevima kapi se fotografiraju optikom dugog fokusa ili X-zrakama.

Rezultati mjerenja geometrijskih parametara, koji pokazuju stupanj odstupanja površine od sferne, uspoređuju se s tabličnim vrijednostima tih parametara (dobiveni su numeričkom integracijom Laplaceove jednadžbe (*)), a vrijednost σ pronađeno je.

2) Polustatičke metode temelje se na proučavanju uvjeta pod kojima sustav gubi ravnotežu.

Adsorpcija

2.4.1. Osnovni pojmovi i definicije

Adsorpcija– proces spontane promjene koncentracije (preraspodjele) komponenti sustava između površinskog sloja i masene faze.

Gušća faza naziva se adsorbent (u tekućem ili krutom agregatnom stanju).

Tvar koja se adsorbira naziva se adsorbat ili adsorpcijski.

Obrnuti proces naziva se desorpcija th.

Za kvantitativni opis adsorpcije koriste se dvije veličine:

1. Apsolutna adsorpcija A – broj molova ili g adsorbata po jedinici površine ili mase adsorbensa.

Jedinice za A su mol/m2, mol/g ili mol/cm3. Eksperimentalno se A određuje gravimetrijskom metodom (na primjer, na McBeanovoj vagi) kada se proučava adsorpcija iz plinovite faze na čvrstom adsorbensu. Povećanje mase (pretvoreno u molove) adsorbensa suspendiranog na vagi je točno A.

2. Prekomjerna adsorpcija (Gibbs) G – višak adsorbata u površinskom sloju u odnosu na njegovu količinu u istom volumenu faze po jedinici površine ili mase adsorbensa.

Prekomjerna adsorpcija također se mjeri u mol/m2, mol/g ili mol/cm3. Eksperimentalno se G određuje razlikom u koncentracijama adsorbata u otopini prije i poslije adsorpcije (kao što se radi u laboratorijskoj praksi).

U svom fizičkom značenju A je uvijek pozitivan (A > 0). Vrijednost G može biti pozitivna (tvar se koncentrira na površini) ili negativna (tvar izbjegava površinu, kao u slučaju adsorpcije PIV-a).

Po definiciji, A je uvijek veći od G, ali pri niskim koncentracijama adsorbata (količina tvari u faznom sloju može se zanemariti u usporedbi s količinom na površini) i njegovoj jakoj adsorpciji A » D. To se obično opaža u vodenim otopinama površinski aktivnih tvari.

Utvrđen je niz približnih kriterija, čija ukupnost omogućuje, na temelju eksperimentalnih podataka, razlikovati fizička i kemijska adsorpcija.

1. Fizička adsorpcija događa se pod utjecajem van der Waalsovih sila i po prirodi je slična procesima kondenzacije para adsorbata. Zato toplina bliska je toplini kondenzacije i iznosi –(5 – 40) kJ/mol. Toplina kemisorpcije usporediva je s toplinom kemijskih reakcija i obično iznosi –(80 – 400) kJ/mol.

Međutim, kemisorpcija iz tekućih otopina može biti popraćena oslobađanjem topline bliske toplini fizičke adsorpcije. Dakle, ako opažene topline adsorpcije prelaze -80 kJ/mol, tada možemo s razumnom pouzdanošću reći da je fenomen koji proučavamo kemisorpcija. Međutim, nemoguće je izvesti zaključak o fizikalnoj prirodi adsorpcije u slučaju male vrijednosti njezine topline.

2. Raspon temperature pojava fizičke adsorpcije ne može značajno premašiti vrelište adsorbata pri tlaku eksperimenta. Dakle, pri atmosferskom tlaku, fizikalna adsorpcija vode ograničena je na T≈ 100 0 C. Kemisorpcija se može dogoditi i na niskim i na mnogo višim temperaturama.

3. Dolazi do fizičke adsorpcije na neporoznim adsorbentima gotovo trenutno, a njegova brzina slabo ovisi o temperaturi. Kemisorpcija, kao i svaka kemijska reakcija, odvija se stvaranjem aktiviranog kompleksa uz prevladavanje energije aktivacije, tj. je aktivirana adsorpcija. Brzina takve adsorpcije jako ovisi o temperaturi (ova ovisnost je prikazana Arrheniusovom jednadžbom (*)).

Međutim, postoje slučajevi, na primjer, tijekom kemosorpcije kisika i vodika na površini metala, kada se adsorpcija odvija vrlo brzo i praktički bez ovisnosti njezine brzine o temperaturi.

4. Nedvosmislen kriterij za utvrđivanje prirode adsorpcije je nepostojanje značajnih temperaturna ovisnost brzine desorpcije.

Energija aktivacije desorpcije jednaka je zbroju energije aktivacije adsorpcije i topline adsorpcije. Slaba ovisnost brzine desorpcije o temperaturi moguća je samo pri niskim vrijednostima aktivacijske energije i topline adsorpcije, a to je tipično samo za fizičku adsorpciju.

5. Fizička adsorpcija nije specifičan : događa se na bilo kojoj površini (ako je temperatura pokusa ispod vrelišta adsorbata).

Zahvaljujući ovoj značajci, fizička adsorpcija može se koristiti za mjerenje ukupne površine krutih tvari. Suprotno tome, kemisorpcija se javlja samo na onim adsorbentima s čijom je površinom moguća kemijska interakcija adsorbata (među njima postoji kemijski afinitet).

6. Fizička adsorpcija može dovesti do stvaranja polimolekularnih filmova (polimolekularna adsorpcija), budući da se sile međudjelovanja u sljedećim slojevima praktički ne razlikuju od sila međudjelovanja u prvom sloju. Kod kemisorpcije kemijska interakcija zahtijeva izravan kontakt adsorbata s površinom i mogućnost polimolekularne adsorpcije je isključena.

Međutim, količina adsorbirane tvari tijekom kemosorpcije može u nekim slučajevima premašiti jednoslojnu prevlaku zbog prodiranja adsorbata do određene dubine pripovršinskog sloja u međuprostore kristalne rešetke adsorbensa. Kod kemisorpcije kisika na srebru ili platini, adsorbirana količina može biti više od 3 puta veća od broja atoma kisika koji odgovara jednoslojnom premazu površine. U tom slučaju ne nastaje skupna oksidna faza.

7. Kemijska adsorpcija je lokalizirana, tj. Na svakom površinskom adsorpcijskom centru može se adsorbirati samo jedna molekula adsorbata (površinu možemo prikazati kao šahovsku ploču na čijem se polju može nalaziti samo jedna figura). Fizička adsorpcija nelokalizirani oni. u ovom slučaju ne postoji čvrsta veza između molekula adsorbata i adsorpcijskih centara.

Gore navedeni kriteriji, razmatrani zasebno, ne omogućuju uvijek jednoznačno okarakteriziranje vrste adsorpcije, ali kada se primjenjuju zajedno obično omogućuju pouzdano razlikovanje fizičke adsorpcije od kemosorpcije.

Mora se, međutim, imati na umu da je u nedostatku oštre granice između fenomena fizičke i kemijske interakcije moguća adsorpcija, koju karakteriziraju posredna svojstva između fizičke adsorpcije i kemisorpcije.

Često se u literaturi može naći izjava da je fizikalna adsorpcija reverzibilna, a kemisorpcija ireverzibilna. Nije točno: kemisorpcija, kao i svaka kemijska reakcija, traje sve dok se ne uspostavi ravnoteža, kada je brzina adsorpcije jednaka brzini desorpcije. Izraz "ireverzibilna adsorpcija" treba koristiti samo u slučajevima kada je kemijska priroda adsorbiranih i desorbiranih molekula različita (molekule se raspadaju na fragmente, a nakon desorpcije s površine se oslobađaju potpuno različite čestice). Tako se tijekom desorpcije benzena kemisorbiranog na platini s površine uklanja čitav niz ugljikovodika - od metana do cikloheksana.

Općenito, adsorpcija je funkcija tlaka P (za plinove) ili koncentracije C (za tekuće otopine) i temperature, tj. prikazan na ravnini u koordinatama A= f(P,T) ili G = f(C,T).

Obično se jedan od parametara održava konstantnim, a adsorpcija se grafički prikazuje u obliku sljedećih krivulja (slika 2.12):

1. Izoterma je ovisnost adsorpcije o tlaku plina ili o koncentraciji otopine pri konstantnoj temperaturi.

2. Izobara je ovisnost adsorpcije o temperaturi pri konstantnom tlaku plina (izopiknalan- pri konstantnoj koncentraciji).

3. Isostera- ovisnost tlaka (ili koncentracije) o temperaturi uz konstantnu adsorpciju.

U praksi se za grafički prikaz adsorpcije najčešće koriste izoterme.

Predavanje “Koloidni sustavi”

Plan:

Raspršeni sustavi.
Struktura koloidne micele.
Metode dobivanja liofobnih koloida (CP).

Predmet i značaj koloidne kemije.

Koloidna kemija- Ovo znanost o raspršenim sustavima i površinskim fenomenima koji nastaju na sučeljima.

Koloidna kemija je kemija stvarnih tijela, budući da su stvarni objekti žive i nežive prirode, proizvodi i materijali koje stvara i koristi čovjek gotovo uvijek u raspršenom stanju, odnosno sadrže male čestice, tanke filmove, membrane, vlakna s jasno definiranim sučeljima. U isto vrijeme, površinski fenomeni i raspršeni sustavi događaju se daleko izvan Zemlje. Na primjer, međuzvjezdana tvar su oblaci plina i prašine. Meteorološke pojave - grmljavina, kiša, snijeg, tuča, magla i druge - koloidni su procesi.

Koloidna kemija čini znanstvenu osnovu proizvodnja plastike, gume, sintetičkih vlakana, ljepila, boja i lakova te građevinskog materijala, hrane, lijekova i dr. Praktično ne postoji područje industrije koje se u ovoj ili onoj mjeri ne bavi koloidnim sustavima.

Uloga koloidne kemije također je velika u rješavanju niza ekoloških problema., uključujući pročišćavanje otpadnih voda, pročišćavanje vode, hvatanje aerosola, kontrolu erozije tla itd.

Koloidna kemija otvara nove pristupe proučavati povijest zemljine kore, utvrđivati veze između koloidno-kemijskih svojstava tla i njegove plodnosti, razjašnjavati uvjete za nastanak života, mehanizme života; ona jedna je od vodećih zaklada moderna biologija, znanost o tlu, geologija, meteorologija. Zajedno s biokemijom i fizikalnom kemijom polimera čini temelj učenja o postanku i razvoju života na Zemlji. Činjenica da su svi živi sustavi visoko raspršeni naglašava važnost koloidne kemije za razvoj moderne znanosti u cjelini.

Značaj koloidnih procesa u poljoprivredi je ogroman (stvaranje dima i magle za suzbijanje poljoprivrednih štetočina, granulacija gnojiva, poboljšanje strukture tla i dr.). Kulinarski procesi: odležavanje želea (ustajanje kruha, odvajanje tekućine od želea, želea itd.), adsorpcija (bistrenje bujona) su koloidni procesi koji su u osnovi pekarstva, vinarstva, pivarstva i druge proizvodnje hrane.

2. Raspršeni sustavi.

Raspršeni sustavi- to su sustavi u kojima je jedna tvar u obliku čestica različite veličine raspoređena u drugoj tvari.

U disperznim sustavima razlikujemo disperznu fazu (DP), fino usitnjenu tvar, i disperzijski medij (DS), homogenu tvar u kojoj je disperzna faza raspoređena (u mutnoj vodi koja sadrži glinu, DP su krute čestice gline, a DS je voda).

Važna karakteristika disperznih sustava je stupanj disperzije – prosječna veličina čestica disperzne faze.

Prema stupnju disperzije obično se razlikuju sljedeće klase disperznih sustava:

Grubi sustavi– sustavi u kojima veličina čestica disperzne faze prelazi 10 -7 m (suspenzije i emulzije).

Koloidni sustavi– sustavi u kojima je veličina čestica disperzne faze 10 -7 – 10 -9 m To su mikroheterogeni sustavi s dobro razvijenom međufaznom površinom. Njihove čestice se pod utjecajem gravitacije ne talože i prolaze kroz papirnate filtere, već ih zadržavaju membrane biljaka i životinja. Na primjer, otopine proteina, koloidi tla itd.

Ponekad su izolirani molekularni (ionski) disperzni sustavi, koji, strogo govoreći, i jesu istinska rješenja, tj. homogeni sustavi, budući da nemaju fazne sučelje. Veličina čestica dispergirane faze je manja od 10 -9 m Otopljena tvar je u obliku molekula ili iona. Na primjer, otopine elektrolita, šećera.

Koloidni sustavi, zauzvrat, podijeljeni su u dvije skupine, oštro različite u prirodi interakcija između čestica disperzne faze i disperzijskog medija - liofobne koloidne otopine (soli) i otopine spojeva velike molekulske mase (HMCs), koje su se ranije zvale liofilni koloidi.

DO liofobni koloidi To uključuje sustave u kojima čestice disperzne faze slabo djeluju na disperzni medij; ovi sustavi mogu se dobiti samo uz utrošak energije i stabilni su samo u prisutnosti stabilizatora.

IUD rješenja nastaju spontano zbog jake interakcije čestica disperzne faze s disperzijskim medijem i mogu ostati stabilni bez stabilizatora.

Liofobni koloidi i IUD otopine razlikuju se po komponentama disperzne faze. Za liofobne koloide jedinica strukture je složeni višekomponentni agregat promjenjivog sastava – micela, za IUD rješenja – makromolekula.

Disperzni sustavi dijele se u skupine koje se razlikuju po prirodi i agregacijskom stanju disperzne faze i disperzijskog medija:

Ako je disperzni medij tekućina, a disperzna faza čvrste čestice, sustav se naziva suspenzija ili suspenzija;

Ako se disperzna faza sastoji od kapljica tekućine, tada se sustav naziva emulzija. Emulzije su pak podijeljene u dvije vrste: ravno, ili "ulje u vodi"(kada je disperzna faza nepolarna tekućina, a disperzni medij polarna tekućina) i obrnuti, ili "voda u ulju"(kada je polarna tekućina raspršena u nepolarnoj).

Među disperziranim sustavima također postoje pjena(plin raspršen u tekućini) i porozna tijela(čvrsta faza u kojoj je raspršen plin ili tekućina). Glavne vrste disperznih sustava dane su u tablici.

3.Struktura koloidne micele.

Čestice DF u liofobnim koloidima imaju složenu strukturu, ovisno o sastavu DF, DS i uvjetima dobivanja koloidne otopine. Nužan uvjet za dobivanje stabilnih solova je prisutnost treće komponente, koja ima ulogu stabilizatora.

Raspršena čestica – micela se sastoji od:

jezgre, u kristalnom ili tekućem stanju;
monomolekularni adsorpcijski sloj ioni koji određuju potencijal;
tekuća ljuska, zbijenija na površini čestice i postupno se pretvara u obični disperzijski medij;
čvrsto vezan sloj protuiona, tj. ioni koji nose naboj suprotan predznaku naboja iona koji određuju potencijal;
difuzijski sloj protuioni koji se slobodno kreću tijekom elektroforeze ili elektroosmoze.

Cijeli ovaj sustav tzv micela.

Struktura strukturne jedinice liofobnih koloida – micele– može se prikazati samo shematski, jer micela nema određeni sastav. Razmotrimo strukturu koloidne micele na primjeru srebro jodid hidrosol, dobiven reakcijom razrijeđenih otopina srebrnog nitrata i kalijevog jodida:

AgNO 3 + KI ––> AgI + KNO 3

Koloidni micel sola srebro jodida nastaje mikrokristalom AgI, koji je sposoban za selektivnu adsorpciju Ag + ili I - kationa iz okoline. Da bi se dobio stabilan sol, potrebno je da jedan od elektrolita AgNO 3 ili KI bude prisutan u suvišku kao stabilizator.

Ako se reakcija provodi u suvišku kalijevog jodida, kristal će adsorbirati I - ; s viškom srebrnog nitrata, mikrokristal adsorbira ione Ag +. Kao rezultat toga, mikrokristal dobiva negativan ili pozitivan naboj.

1. Višak KI

Netopljive molekule AgI oblik jezgra koloidne čestice (micele) m[ AgI].

I - ioni se adsorbiraju na površini jezgre (obično se adsorbiraju oni ioni koji su dio jezgre, tj. u ovom slučaju Ag + ili I -), dajući joj negativan naboj. Oni dovršavaju kristalnu rešetku jezgre, čvrsto ulaze u njegovu strukturu, formiraju adsorpcijski sloj m[ AgI] · nI – . Nazivaju se ioni koji su adsorbirani na površini jezgre i daju joj odgovarajući naboj ioni koji određuju potencijal.

Adsorbirani ioni koji određuju potencijal privlače ione suprotnog predznaka iz otopine protuioni(K +), a dio njih (n-x) se adsorbira na čestici { m[ AgI] · nI – · (n- x) K + } x – . Jezgra + adsorpcijski sloj = zrnce.

Nastaju preostali protuioni difuzni sloj iona.

Jezgra s adsorpcijskim i difuznim slojevima predstavlja micela.

Shematski dijagram dobivene micele sol srebrnog jodida u višku kalijevog jodida (ioni koji određuju potencijal su I – anioni, protuioni su K + ioni) može se prikazati na sljedeći način:

(m · nI – · (n-x)K + ) x– · xK +

2. Po primitku srebro jodid sol u suvišku srebrnog nitrata koloidne čestice će imati pozitivan naboj:

(m nAg + (n-x)NO 3 – ) x+ x NO 3 –

S. V. Egorov, E. S. Orobeyko, E. S. Mukhacheva

Koloidna kemija, varalica

1. Nastanak i glavne faze razvoja koloidne kemije. Predmet i objekti istraživanja koloidne kemije

Pojava znanosti o koloidnoj kemiji povezana je s istraživanjem engleskog kemičara T. Graham . Nakon pionirskih istraživanja M. Faraday (1857.), kada su prvi put dobivene stabilne koloidne otopine visoko dispergiranog zlata, Graham je 1861. godine proučavao difuziju raznih tvari u vodenim otopinama i otkrio da neke od njih (želatina, agar-agar itd.) difundiraju u vodi mnogo sporije od , na primjer, soli i kiseline. Također, kada su otopine bile prezasićene, te tvari nisu kristalizirale, već su stvorile želatinoznu, ljepljivu masu. T. Graham nazvao je te tvari koloidima (od grčkog kolla - "ljepilo", eidos - "vrsta"). Tako se pojavio naziv znanosti - "koloidna kemija". T. Graham iznio je hipotezu o postojanju u prirodi dvije suprotne klase kemijskih tvari - kristaloida i koloida. Ova je ideja zainteresirala mnoge znanstvenike, i u drugoj polovici 19. stoljeća. Počeo je brzi razvoj koloidne kemije. U Rusiji je u to vrijeme koloidna kemija također dobila veliku pozornost, uglavnom pod utjecajem D. I. Mendeljejev . Proučavanje temperaturne ovisnosti površinske napetosti organskih tekućina (1861) dovela je Mendeljejeva do otkrića pojma kritične temperature tvari. Mendeljejev je također izrazio ideju o povezanosti površinske napetosti i drugih svojstava materije. Tijekom tih godina otkrivene su mnoge tvari s koloidnim svojstvima, razvijene su različite metode za pročišćavanje i stabilizaciju koloida te su stvorene metode za njihovo proučavanje. Kako su otkriveni novi koloidi, hipoteza T. Grahama je zamijenjena u prvoj polovici 20. stoljeća. došao koncept univerzalnosti koloidnog (raspršenog) stanja tvari:“Koloidno stanje nije određeno sastavom tvari. Pod određenim uvjetima svaka tvar može biti u koloidnom stanju.” Ovaj koncept formulirao je profesor na Institutu za rudarstvo u Sankt Peterburgu P. P. Weymarn V 1906–1910. Pokazao je da se tipični koloidi (na primjer, želatina) mogu izolirati u kristalnom obliku i, naprotiv, koloidna otopina (na primjer, kuhinjska sol u benzenu) može se pripraviti iz kristaloidnih tvari. Došlo je do pomaka u prioritetima koloidne kemije. Glavni smjer bio je proučavanje dispergiranog (koloidnog) stanja tvari. Oko 1920-ih. temeljni problemi koloidne kemije konvencionalno se dijele u tri skupine: sastav, struktura i svojstva koloidnih čestica; interakcija čestica s disperziranim medijem; kontaktne interakcije čestica jedne s drugom, što dovodi do stvaranja koloidnih struktura. U tom razdoblju otkriveni su osnovni zakoni koloidne kemije - zakon Brownovog gibanja i difuzije koloidnih čestica. (A. Einstein) , heterogena priroda koloidnih otopina (R. Zsigmondy) , sedimentacijsko-difuzijska ravnoteža disperzija u gravitacijskom polju (J. Perrin) i u centrifugi (T. Svedberg) , raspršenje svjetlosti (J. Rayleigh) , koagulacija sola s elektrolitima (G. Schulze I V. Hardy) . Pojava u drugoj polovici 20.st. metode visoke rezolucije za proučavanje strukture tvari (NMR, elektronska mikroskopija i mikroskopija atomskih sila, računalno modeliranje, fotonska korelacijska spektroskopija i dr.) omogućile su prelazak na sustavno proučavanje strukture i svojstava koloidnih sustava. Moderna definicija ove znanosti glasi: koloidna kemija je nauk o svojstvima i pretvorbama tvari u raspršenom i ultradisperznom stanju i površinskim pojavama u raspršenim sustavima. Objekti istraživanja u koloidnoj kemiji imaju visoko razvijenu površinu i predstavljaju razne solove, suspenzije, emulzije, pjene, površinske filmove, membrane i porozna tijela, nanostrukturne sustave (nanocijevi, Langmuir-Blodgett filmovi, hibridni organsko-anorganski kompozitni materijali, nanokompoziti).

2. Glavne značajke disperznih sustava. Značajke ultramikroheterogenog stanja (nanostaja)

Raspršeni sustavi formirana od dvije ili više faza s visoko razvijenim sučeljem između njih, a najmanje jedna od faza je disperzirana faza– raspoređeni u obliku malih čestica (kristala, kapljica, mjehurića, itd.) u drugoj, kontinuiranoj fazi – disperzijski medij. Primjeri su stijene, tla, tla, dim, oblaci, oborine, biljna i životinjska tkiva itd. Najvažnija značajka raspršenih sustava je heterogenost. Karakteristična značajka disperznih sustava– visoko razvijena međufazna površina i, kao posljedica toga, visoka slobodna energija, stoga su obično disperzni sustavi (osim liofilnih) termodinamički nestabilni. Imaju povećan adsorpcijski kapacitet, kemijsku i ponekad biološku aktivnost. Disperzne sustave karakterizira povećanje površine s porastom disperzije i sve većom ulogom površinskih pojava. Disperzne sustave karakterizira vrlo velika specifična površina W disperzirana faza.

W < K/dr,

Gdje K– bezdimenzijski koeficijent (za sferne i kubične čestice K = 6); r– gustoća disperzne faze.

Ostali važni termodinamički parametri koji karakteriziraju koloidne sustave su specifična slobodna površinska energija σ (površinska napetost), površinska entropija h i specifična adsorpcija G. Važna značajka disperziranih sustava je da je značajan dio ukupne mase i slobodne energije sustava koncentriran u međufaznim površinskim slojevima. S ovom značajkom povezana su sljedeća svojstva: neponovljivost(ili individualnost) sustavi zbog nejednake površine čestica disperzne faze, koje imaju različite površinske energije čak i uz istu specifičnu površinu; strukturiranje, povezan s tendencijom prema termodinamičkoj nestabilnosti. Temeljno svojstvo disperznih sustava je njihova sposobnost postupne evolucije, što je povezano s prirodom disperziranog stanja tvari, prvenstveno s termodinamičkom neravnotežom. Višak slobodne energije, uzrokovan prisutnošću visoko razvijene sučelja između disperzne faze i disperzijskog medija, potiče pojavu različitih procesa (fizikalnih, fizikalno-kemijskih) koji dovode do smanjenja Helmholtz slobodne energije F. Znak poput labilnost, posljedica je termodinamičke nestabilnosti i tendencije smanjenja slobodne energije stvaranjem manje disperznih struktura. Glavne karakteristike disperzni sustavi - veličine čestica (ili disperzija), koji se određuje omjerom ukupne površine međufazne površine i volumena disperzne faze. Na temelju ovog kriterija, grubi (nisko dispergirani) (čestice imaju veličinu od 10–4 cm i više) i fino dispergirani (visoko dispergirani) (čestice imaju veličinu od 10–4 do 10–5–10–7 cm), ili se razlikuju koloidni sustavi (koloidi). Granični stupanj disperzije pri kojem koloidni sustav zadržava svoje glavno svojstvo – heterogenost – nalazi se u rasponu od 1 do 100 nm. Ultradisperzne čestice zauzimaju srednji položaj između molekula (atoma, iona) i makroskopskih tijela (faza). Veličina čestica disperzne faze d je blizu maksimalnog mogućeg, to će jači biti utjecaj učinaka ljestvice – ovisnosti svojstava o veličini čestica. Ako je za sustave s prosječnim stupnjem disperzije površinska napetost s određena samo kemijskim sastavom, tada je za nanosustave već potrebno uzeti u obzir ovisnost površinske napetosti o veličini raspršenih čestica.

3. Razne vrste klasifikacija disperznih sustava. Liofilni i liofobni disperzni sustavi

Raspršeni sustavi heterogeni i sastoje se od dvije faze od kojih je jedna (disperzna faza) u obliku čestica raznih veličina raspoređenih u drugu fazu – kontinuiranu disperzijski medij. Disperzni sustavi klasificiraju se prvenstveno prema veličini čestica disperzne faze (ili prema stupnju disperzije). Osim toga, podijeljeni su u skupine koje se razlikuju po prirodi i stanju agregacije disperzne faze i disperzijskog medija (mogu biti kruti, tekući i plinoviti), po strukturi i po prirodi međufaznih interakcija. Ako je disperzni medij tekućina, a disperzna faza čvrste čestice, sustav se naziva suspenzija ili suspenzija; ako se disperzna faza sastoji od kapljica tekućine, tada se sustav naziva emulzija. U disperzne sustave spadaju i pjene (plin raspršen u tekućini), aerosoli (tekućina u plinu) i porozna tijela (kruta faza u kojoj je raspršen plin ili tekućina). Ukratko, vrsta disperznog sustava, ovisno o agregatnom stanju, piše se razlomkom, gdje je disperzna faza u brojniku, a disperzni medij u nazivniku (npr. T/T (krute koloidne otopine - minerali, legure), T/L (soli - suspenzije), T/G (aerosoli - prašina, pare), L/G (emulzije), L/G (aerosoli - magle); G/T (porozni i kapilarni sustavi), G/F (pjene - plinske emulzije)). H/G sustavi se obično ne pojavljuju u klasifikaciji, jer je nužan uvjet za nastanak disperznog sustava ograničena topljivost tvari u mediju.