Шпаргалка по "Коллоидной химии"

Силикат натрия адсорбирует продукты распада естественных примесей целлюлозы и тем самым

5. Изобразите формулы  двух мицелл гидрозоля С, полученного  из растворов веществ А и В в случае избытка вещества А или В. А - Na2 SiO3, В - HCl, С - H2SiO3

При избытке HCl: { m (H2SiO3) nH+ (n -x)Cl-  }х+ хCl-

При избытке Na2SiO3 : { m (H2SiO3 ) nSiO32- 2(n -x)Na+ }2х- 2х Na+

6. Определите тип электролитов: KNO3, NaOH, Cr(NO3)3 по отношению к золю Cr(OН)3 (стабилизатор CrCl3). Проиллюстрируйте графически, как влияет на величину ζ-потенциала добавление к золю растворов Cr(NO3)3, KCl.

KNO3- индеферентный,  NaOH- неиндеферентный, Cr(NO3)3 – неиндеферентный

Cr(NO3)3   Если  один из ионов  электролита  способен  достраивать  кристаллическую  решетку  коллоидной  частицы,  то  он  повышает  ζ-потенциал. Находящийся с ним в паре ион, одинаковый по знаку с зарядом противоионов, способен сжимать ДЭС. При малых концентрациях действует первый фактор. При больших концентрациях, когда достройка  кристаллической  решетки  завершена,  превалирует  второй  фактор. Поэтому при введении в систему неиндифферентного электролита ζ-потенциал  сначала  будет  возрастать,  а  потом  падать,  проходя  через максимум. КCl - Увеличивает ионную силу.

 

Билет 4

1. Смачивание и  растекание:

В гетерогенных системах различают два типа межмолекулярного взаимодействия: внутрифазное и межфазное. Притяжение атомов и молекул внутри отдельной фазы называют когезией. Именно она определяет возможность существования веществ в конденсированном состоянии.

К межфазным взаимодействиям относятся понятия адгезии, смачивания и растекания. Адгезия (прилипание) – взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсированных фаз разной природы. Адгезия обеспечивается физическими или химическими силами взаимодействия. Смачивание и растекание – это адгезионные взаимодействия между жидким и твердым телом.

Явления адгезии и смачивания широко распространены в природе и технологических процессах: склеивание различных материалов, нанесение лаков, красок, металлических покрытий, печать, крашение тканей, изготовление различных материалов на основе связующих веществ.

 

Схема, иллюстрирующая понятия когезии (а) и адгезии (б).

Количественные характеристики адгезионных процессов:

Чтобы разорвать столбик жидкости с образованием двух новых поверхностей раздела (см. схему а), необходимо затратить работу, которая равна работе когезии, но противоположна по знаку:

Wразр = –Wк;

Wк = 2σ12.

Изменение энергии Гиббса в этом процессе:

∆Gк = ∆Gкон – ∆Gнач = σ12 + σ12 – 0 = 2σ12;

Wразр = –∆Gк.

Работа, затрачиваемая на разрыв поверхностного слоя на схеме б будет равна работе адгезии с обратным знаком:

Wразр = –Wа = –∆Gа,

где ∆G – изменение энергии Гиббса в процессе разрушения адгезионного слоя.

Изменение энергии Гиббса в этом процессе:

∆Gнач = σ13;

∆Gкон = σ32 + σ12 – σ13;

∆Gа = ∆Gкон – ∆Gнач = σ32 + σ12 – σ13;Wа = σ32 + σ12 – σ13  – уравнение Дюпре.

Закон Юнга. Уравнение, выражающее взаимосвязь работы когезии, поверхностного натяжения и краевого угла смачивания.

Это уравнение называется уравнением Юнга-Дюпре:

.

Оно позволяет выразить термодинамические условия смачивания через соотношения работ когезии и адгезии. Несмачиванию отвечает условие ½Wа < Wк, смачиванию ½Wк < Wа < Wк, растеканию жидкости по твердому телу Wа > Wк закономерности смачивания выполняются не на всех поверхностях, а только на идеально гладких и однородных. Реально же твердые тела всегда имеют неоднородности, от которых зависит краевой угол смачивания, и которые затрудняют определение краевых углов.

2 Метод избыточных  величин Гиббса и метод слоя  конечной толщины

Чтобы получить связь между характером распределения плотностей термодинамических функций в поверхности разрыва и макроскопическими характеристиками поверхности и объемных фаз используется два метода: метод избыточных величин Гиббса и метод слоя конечной толщины.

В методе слоя конечной толщины поверхность разрыва рассматривается как реальный слой, который отличается от объемных фаз тем, что обладает избыточной энергией σs. В этом методе вводится параметр толщины поверхностного слоя.

Гиббс предпочел идти по пути более схематичного описания термодинамики поверхностных явлений. В его методе свойства реальной системы сопоставляются со свойствами идеализированной системы, в которой плотности термодинамических величин сохраняют постоянное (объемное) значение вплоть до некоторой математической (имеющей нулевую толщину) разделяющей поверхности. Разность (положительная или отрицательная) между значениями термодинамической функции в реальной системе и системе сравнения, отнесенная к площади поверхности, рассматривается как удельное значение избытка соответствующей величины. Именно эта избыточная величина сопоставляется с соответствующей макроскопической характеристикой. При этом определение такого избытка основывается на интегрировании по координате, нормальной к поверхности, разности плотностей термодинамических функций в реальной системе и системе сравнения. При  помощи этих двух методов выразить любой термодинамический параметр системы.

По методу Гиббса (участок I на рисунке):

G = G1 + G2 + σs,

где G1 и G2 – значения энергии Гиббса отдельных фаз в идеализированной системе, соответствующие их объемным значениям, σs – избыток, связанный с разделяющей поверхностью.

По методу слоя конечной толщины (участок II на рисунке):

G = G1′ + G2′ + Gсл = G1′ + G2′ + Gvсл + σs,

где G1′ и G2′ – энергия Гиббса соответственно фазы 1 и 2 до границы поверхностного слоя (поверхности разрыва).

Применительно к дисперсной системе можно записать объединенное уравнение первого и второго начал термодинамики относительно энергии Гиббса:

,

где S – энтропия; dT, dp – изменение температуры и давления; ds – изменение площади поверхности раздела фаз; σ – поверхностное натяжение; μi, ni – химический потенциал и число моль компонента i; φ, q – электрический потенциал и заряд поверхности.

 

3. Дайте определение  поверхностной активности и поясните  выражение «понятие поверхностной  активности относительно». Как экспериментально оценить поверхностную активность?

Поверхностная активность – способность вещества понижать поверхностное натяжение данной границы раздела фаз. Эту способность характеризует производная при Т,р=const которая изменяется с изменением концентрации. Физический смысл производной: понижение поверхностного натяжения раствора при изменении концентрации ПАВ на единицу. Количественной мерой поверхностной активности является величина g, т.е. мерой поверхностной активности является max значение производной.

. [g]=[Дж*м/моль]=[Н*м2/моль]

Из вышеперечисленного следует, что понятие поверхностной активности – относительно.

Поверхностную активность обычно измеряют графически. А именно: к изоторме поверхностного натяжения через ее начальную точку проводят касательную. Тангенс угла α выражается отношением катетов ОА и ОВ, взятых в единицах σ и с, численно равен величине поверхностной активности.

 

4. Изобразите седиментационные  кривые для моно- и полидисперсной  водных суспензий сульфата бария, полученные в случае, если экспериментатор находился в а)лаборатории, б)кабине космического корабля.

Наиболее распространенный и простой метод определения размеров частиц и функции распределения их по размерам является седиментационный анализ, основанный на различии скоростей оседания в поле силы тяжести частиц разного размера.

а) в лаборатории

, где – r – радиус частицы, r  - плотность ДФ, r0 – плотность жидкости (ДС), g – ускорение свободного падения, h - вязкость жидкости, Uсед – скорость движения частицы.

- это уравнение описывает кинетику  седиментации монодисперсных систем. Графически зависимость представлена  на рис.1,а).  Точке B соответствует окончание процесса седиментации, и в последующие моменты времени масса осевших частиц не изменяется. Тангенс угла наклона прямой характеризует скорость оседания частиц дисперсной фазы

где – m – масса осевшего в-ва, mобщ – общая масса дисперсной фазы, H – первоначальная высота столба суспензии, t - время осаждения, mобщ/Н - масса дисперсной фазы в объеме, приходящаяся на единицу высоты столба суспензии. →

, при t = tr и m = mобщ , .

 

Рис.1 Седиментационные кривые получ в лаборатории для а) моно- , б)полидисперсных систем.

Для полидисперсной системы график – кривая плавная линия. По времени tmin рассчитывается rmax – радиус самых крупных частиц, по времени tmax рассчитывается rmin – радиус самых мелких частиц. Ордината этой касательной соответствует массе всех выпавших частиц (mобщ).

б) кабине космического корабля

? Сила тяжести в космосе = 0.

 

Билет 5

1. Седиментационный  анализ в центробежном поле  как метод оценки размеров  коллоидных частиц и макромолекул  полимеров.

Седиментация в центробежном поле используется для изучения коллоидных систем и растворов полимеров; центробежные ускорения достигают до 105-106 g и реализуются в ультрацентрифугах с частотой вращения ротора до нескольких десятков тысяч об/мин.

Отношение скорости седиментации к центробежному ускорению (константа седиментации) — важная молекулярно-кинетическая характеристика системы. Она зависит от массы и формы частиц фазы или молекулярной массы макромолекул. Единицей константы седиментации является сведберг, обозначаемый в литературе как большое латинское S. (10-13 секунд =1 S (1 Сб).)

Скорость седиментации: ,где – относительная масса, х – расстояние от частицы до оси вращения центрифуги; ω – угловая скорость вращения центрифуги: ; n – число оборотов в минуту, В – коэффициент Стокса: .

Разделим переменные и проинтегрируем:

,  ,  .Получим:

где хо и х – расстояние от оси вращения до уровня коллоидной системы в пробирке в начальный момент времени и момент времени τ.

Это уравнение позволяет определить радиус частицы:

Диапазон размеров частиц, при котором можно использовать центрифугальный метод определения дисперсного состава, составляет 0,05-1 мкм.

В современных ультрацентрифугах обеспечивается скорость вращения ротора до 75000 об/мин. За оседанием частиц наблюдают с помощью специальных оптических устройств.

Существует два метода контроля системы на разных расстояниях от оси вращения:

1. Скорость седиментации оценивают по изменению со временем градиента показателя преломления, пропорционального концентрации вдоль вращающейся кюветы («шлирен-метод»)
2. По оптической плотности растворов.

В качестве регистрирующих устройств в некоторых центрифугах используются фотопластинки.

 

2. Адсорбция и  ее характеристики. Теории полимолекулярной  адсорбции.

Адсорбция – самопроизвольное перераспределение компонентов между поверхностным слоем и объемной фазой.

Физическая адсорбция обусловлена действием физических сил притяжения – различными типами ван-дер-ваальсового взаимодействия. Обратима, является экзотермическим процессом (протекающим с выделением теплоты).

Химическая адсорбция (хемосорбция) происходит за счет образования химических связей между молекулами (ионами, атомами) адсорбата и адсорбента. Хемосорбция обычно необратима.

Поглощающее (адсорбирующее) вещество называют адсорбентом, а поглощающееся (адсорбирующееся) – адсорбатом.

Для количественной характеристики адсорбции используются две величины:

1.удельная (гиббсовская) адсорбция Гi: , где ni – количество вещества в реальной системе; – в фазе I, – в фазе II идеальной системы, s – площадь межфазной поверхности.

Т. е. гиббсовская адсорбция – это избыток вещества в межфазном поверхностном слое, приходящийся на единицу площади поверхности по сравнению с количеством вещества в таком же объеме фазы. ,  где d – толщина поверхностного слоя,

[кг/м2], либо [моль/кг], либо [кг/кг].

2.полная адсорбция  аi . Полная адсорбция – количество вещества в поверхностном слое толщиной δ в расчете на единицу поверхности или массы адсорбента:

Между Гi и аi существует взаимосвязь: , аi всегда больше 0  

Гi может быть больше и меньше 0.

При адсорбции в условиях Т ‹ Ткр имеет место конденсация, и мономолекулярный слой не компенсирует поверхностную энергию è образуется несколько адсорбционных слоев (полимолекулярная адсорбция).

Полимолекулярная адсорбция реализуется в двух случаях:

 

 

 

 

 

 

 

Для первого случая была предложена потенциальная теория адсорбции Поляни, которая дает термодинамическое описание процесса адсорбции.

Теория Поляни

Основные постулаты: