Шпаргалка по "Коллоидной химии"

Вид системы	Характер  образования	Термодинамическая  устойчивость к коагуляции	Взаимодействие между фазами	Представители
Лиофильные	Самопроизвольное диспергирование	Термодинамически агрегативно  устойчивы	Сильное	Критические эмульсии, мицеллярные растворы ПАВ, растворы некоторых ВМС, (белков и др.)

 

 

3. Изобразите изотермы поверхностного натяжения водных растворов метиламина и пропиламина и покажите, как от них можно перейти к изотермам адсорбции. изобразите изотермы адсорбции этих веществ.

Правило Дюкло-Траубе:

В гомологическом ряду нормальных жирных кислот, спиртов, аминов  и т.д., поверхностная активность по отношению к воде резко возрастает  на каждую группу СН2.

Количественной мерой поверхностной активности служит  величина g:          )p,T

Адсорбция – это изменение концентрации компонента в поверхностном слое по сравнению с объёмной фазой, отнесённое к единице площади поверхности; самопроизвольное перераспределение компонентов системы между повехностным слоем и объёмной фазой.

Уравнение, связывающее адсорбцию с изменением поверхностного натяжения: 

a- адсорбция, с – концентр растворённого вещества.

4. Как различаются  осмотические давления апельсинового  сока а) с мякотью, б) без мякоти. Ответ обоснуйте

Если считать концентрацию дисперсной фазы в соке с мякотью и без мякоти одинаковой, то осмотическое давление с мякотью будет меньше, чем без мякоти.

,где с – молярность  раствора, моль/м3, П – осмотическое давление.

Для коллоидных систем можно записать: .

Частичная или численная концентрация – это число отдельных частиц в единице объема дисперсной системы: . где V0 – общий объем дисперсной системы, Nч – число частиц дисперсной фазы.

Связь с массой и размерами частиц такова:

т. к. , то , где mДФ и mч – это масса всех частиц дисперсной фазы и одной частицы соответственно. Таким образом, при одной и той же массовой доле частичная концентрация тем меньше, чем крупнее частицы.

Осмотическое давление равно тому давлению, которое производила бы дисперсная фаза (растворенное вещество), если бы она в виде газа при той же температуре занимала тот же объем, что и коллоидная система (раствор).

5. Изобразите формулы  двух мицелл гидрозоля С, полученного  из растворов веществ А и  В в случае избытка вещества  А или В. А – CaCl2, В - H2SO4, С - CaSO4

Реакция: CaCl2+ H2SO4 = CaSO4 + 2HCl

В первом случае(избыток А):     {m[CaSO4]nCa2+2(n-x)Cl-}2x+2xCl-

В избытке B: {m[CaSO4]nSO42-2(n-x)H+}2x-2xH+

6. Пороги коагуляции  золя Cu(OH)2 для электролитов Na2SO4 и BaCl2 соответственно равны 0.04 и 0.004 моль/л . Определите заряд колоидной частицы и запишите структурную формулу мицеллы гидрозоля. Изобразите графически как изменится ζ-потенциал при добавлении к такому гидрозолю NaOH.

Мицелла гидрозоля:  {m[Cu(OH)2]nOH-(n-x)H+}x-xH+

Порог коагуляции однозарядного иона (порог 1) и двухзарядного иона (порог 2 ) в соответствии с эмпирическим правилом Шульце – Гарди должны приблизительно соотноситься: порог1 : порог2 = 500 : 25 = 20 : 1. Пороги коагуляции Na2SO4 и BaCl2 соотносятся 0,04 : 0,004 = 10 : 1. Следовательно, в соединении Na2SO4 коагуляцию вызывает однозарядный ион (Na+), в соединении BaCl2 – двузарядный ион (Ba2+). Значит коагуляция вызывается катионами, а заряд коллоидной частицы имеет отрицательный знак.

 

 

Билет 7

1. Изотерма адсорбции  Лэнгмюра.

В области высоких концентраций закон Генри не соблюдается, но можно использовать уравнение Ленгмюра (изотерму адсорбции Лэнгмюра):

где а∞ – предельная адсорбция (адсорбция при предельном заполнении поверхности монослоем), к – константа, с – общая концентрация ПАВ в растворе.

Вывод данного уравнения основан на описании адсорбции формальным химическим уравнением:

где Х – молекула ПАВ в объемной фазе; sХ – свободный участок поверхности; ХsХ – «комплекс» молекулы с соответствующим участком поверхности.

Динамическое равновесие, устанавливающееся между поверхностным слоем и объемной фазой в отношении растворенного вещества характеризуется константой адсорбции:

Величина адсорбции равна:

где Y – степень насыщения поверхности веществом Х (доля участков sХ, занятых веществом). Получаем:

Чтобы перейти к уравнению Ленгмюра, надо заменить [Х ] на с (общую концентрацию ПАВ в растворе):

 Принцип независимости  поверхностного действия: в гомологических  рядах различных ПАВ (спиртов, аминов, кислот и др.) предельное значение  адсорбции для всех членов  одинаково, т. е. не зависят от длины углеводородного радикала. При предельном заполнении поверхностного слоя возможен только один вариант расположения молекул – частокол Ленгмюра.

а∞ и к можно найти графически:

Преобразуем уравнение Ленгмюра к такому виду:

1. /с = −к.

 

2. Устойчивость  дисперсных систем. Основы теории  ДЛФО.

Устойчивость лиофобных дисперсных систем –способность систем препятствовать протеканию процессов, ведущих к изменению их дисперсности, характера распределения частиц по размерам, а также в объеме дисперсионной среды.

1) Термодинамическая (агрегативная) неустойчивость - постепенном увеличении размеров дисперсных частиц или образования агрегатов из слипшихся частиц.

Избыточная поверхностная энергия As дисперсной системы описывается уравнением:

,

где K – коэффициент формы; σ – удельная поверхностная энергия; 
ρd – плотность вещества дисперсной фазы, md – масса дисперсной фазы.

Уравнение показывает, что возможны:

• Укрупнение дисперсных частиц σ = const  - коалесценция (слияние) - характерна для систем с жидкими или газообразными частицами.
• Уменьшение поверхностного натяжения, d = const – коагуляция -  образование агрегатов из многих дисперсных частиц, разделенных тонкими прослойками дисперсионной среды (характерна для систем с твердыми частицами).

2) Седиментационная неустойчивость. Из-за различия плотностей веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды (ρ0), что приводит к постепенному оседанию более крупных частиц (если ρd > ρ0) или их всплыванию (если ρd < ρ0).

3) Фазовая неустойчивость - изменение структуры частиц при сохранении их размеров (в коллоидных растворах металлов, оксидов и гидроксидов дисперсные частицы обычно аморфны, со временем внутри частиц может происходить энергетически выгодный процесс кристаллизации).

4) Поверхностная неустойчивость (причины различны). Например, ПАВ с большой молекулярной массой (белки) медленно диффундируют из объема дисперсионной среды на поверхность частиц и со временем образуют адсорбционный слой. Другой возможный механизм – растворение вещества дисперсных частиц в дисперсионной среде

Неравновесность вызывает изменения дисперсных систем, характеристики дисперсных систем могут существенно изменяться во времени.

Теория устойчивости гидрофобных золей  Дерягина,  Ландау,  Фервея и  Овербека (теория ДЛФО).

1) Если преобладает сила притяжения - дисперсные частицы сближаются, между ними возникает контакт, они объединяются в более крупный агрегат (коллоидный «димер»). Таким образом, в этом случае элементарный акт процесса коагуляции может состояться.

2) Если преобладает электростатическое отталкивание, то частицы могут не вступать в непосредственное соприкосновение, и коагуляция золя не происходит.

Основной фактор термодинамической устойчивости дисперсной системы в теории ДЛФО - электростатическое отталкивание дисперсных частиц.

3. Приведите на  одном рисунке изотермы поверхностного натяжения ПИВ и ПАВ а)немицеллообразующего , б) мицеллообразующего, в) ионогенного немицеллообразующего.

ПИВ - поверхностно-инактивные вещества, ПАВ – поверхностно-активные вещества, ККМ – критическая концентрация мицеллообразования.

 

4. Замечено, что  сливочное масло взбивается легче  из постоявшей сметаны, чем из  свежей. Дайте объяснение этому  явлению с коллоидно-химической  точки зрения, учитывая также  и некоторое прокисание сметаны  при стоянии.

Сливочное масло — пищевой продукт, получаемый из сливок. Представляет собой эмульсию, в которой капельки воды являются дисперсной фазой, а жир - дисперсионной средой (в отличие от сливок, где жир является дисперсной фазой, а вода - дисперсионной средой).

У постоявшей сметаны уменьшается агрегативная устойчивость и частички жира легче и быстрее слипаются, следовательно, когда взбивают сметану, ускоряют процесс слипания частиц. Прокисание сметаны также приводит к уменьшению агрегативной устойчивости.

 

Билет 8.

1. Уравнение адсорбции Гиббса и его естественно-научное и философское  значение.

Рассмотрим вывод уравнения Гиббса, предложенный Ребиндером

Если деформировать поверхность раздела фаз двухкомпонентной системы, то затраченная работа складывается из работы по созданию новой поверхности и работы по распределению компонентов между поверхностным слоем и объемами фаз:

.(Механическая работа и Химическая работа)

Поверхность разрыва эквипотенциальна по растворителю (Г1 = 0), зн: .

Продифференцируем по μ:

. Запишем левую часть  полученного уравнения в виде: . Величина , как производная энергии по количеству вещества, соответствует химическому потенциалу и выражает изменение поверхностной энергии с увеличением адсорбции растворенного вещества.

 

; – термодинамическое уравнение адсорбции Гиббса.

Это уравнение характеризует равновесие м-ду объемными фазами и новым слоем при пост темп-ре.

В состоянии равновесия между объемными фазами и поверхностным слоем:

, т.е. можно несколько  условно сказать, что минимуму  свободной энергии системы на  единицу площади поверхности (при  заданной величине адсорбции Г) соответствует равновесие между «механическими» и «химическими» силами, т.е. между стремлением системы к уменьшению поверхностной энергии за счет концентрирования в поверхностном слое некоторых веществ и невыгодностью такого концентрирования из-за возрастания их химического потенциала.

Процессы адсорбции в коллоидных системах идут в сторону самопроизвольного увеличения градиента концентрации веществ на межфазной поверхности. Такие системы в процессе диспергирования способны совершать полезную работу за счет градиента хим. потенциала.

Для достаточно разбавленных растворов:

.

; – уравнение Гиббса для разбавленных растворов.

Уравнение Гиббса было проверено экспериментально на веществах, для которых Г › 0 и Г ‹ 0.

Вещества, для которых Г › 0, снижают σ – это ПАВ, поверхностно-активные вещества;

вещества, для которых Г ‹ 0, повышают σ, но незначительно – это ПИВ, поверхностно-инактивные вещества; вещества, которые не влияют на σ – поверхностно неактивные вещества (ПНВ).

2. Диффузионно-седиментационное  равновесие и его использование  для анализа дисперсных систем.

Оседание частиц создает градиент концентрации частиц: их концетрация при приближении ко дну заметно увеличивается. Соответственно, возникает диффузионный поток Iдиф, направленный противоположно потоку седиментации Iсед, т. е. к верху пробирки.

, где ν – концентрация частиц ДФ.

, где h – высота.

Каков же результат конкуренции этих двух потоков? Возможны три варианта:

Œ , т. е. , т. е.

Чтобы выполнилось это неравенство, значения Т и должны быть малы, а (ρ-ρо) и ν – велики. В реальных условиях эти параметры заметно изменить сложно, а радиус частиц в дисперсной системе изменяется в широком интервале: от 10-9 до 10-4 м и именно радиус частиц является определяющим. Установлено, что данное неравенство соблюдается, когда r ≥ 10-5 м. В этих случаях диффузией можно пренебречь, идет быстрая седиментация – система является седиментационно неустойчивой.

 , т. е. , т. е.

Это условие должно выполнятся, когда Т и велики, а (ρ-ρо) и ν – малы. Но и здесь решающую роль играет радиус частиц. Установлено, что это неравенство выполняется при r ≤ 10-7 м. В этом случае можно пренебречь седиментацией, диффузия приведет к равномерному распределению частиц по всему объему сосуда. Дисперсная система является седиментационно устойчивой.