Коллоидная химия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коллоидная химия

Контрольная работа № 3, вариант 3

Студентки 3 курса заочного факультета ПГФА

Федотовой Марии Владимировны

Шифр 63/09 Домашний адрес 607650

Нижегородская обл,

Кстовский р-он, с. В-Враг, ул. Молодёжная,12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Что такое смачивание? Гидрофобные (лиофобные) и гидрофильные (лиофильные) поверхности. Как можно гидрофилизировать поверхность? Краевой угол смачивания и его определение.

 

Смачивание – это поверхностное явление, которое наблюдается на границе трех фаз: твердой, жидкой, газообразной или твердой и двух несмешивающихся жидкостей и является следствием межмолекулярного взаимодействия на границе соприкосновения этих трех фаз.

 

Различают два типа смачивания:

1. Иммерсионное, имеющее место при полном погружении твердого тела в жидкость. В таком случае в смачивании участвуют две фазы: жидкость и твердое тело;
2. Контактное протекает с участием трех фаз: твердой, жидкой, газообразной (например, капля жидкости на твердой поверхности).

 

Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:

1. молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают её в капельку. Так ведёт себя ртуть на стекле, вода на парафине  или «жирной» поверхности. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность;
2. молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, растекается по ней. Так ведёт себя ртуть на цинковой пластине, вода на чистом стекле или дереве. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность. Если жидкость покроет всю поверхность твердого тела и ее слой станет мономолекулярным, то происходит полное смачивание.

 

Между этими двумя крайними случаями возможны промежуточные варианты, когда капля образует с поверхностью твердого тела определенный равновесный угол, называемый краевым углом смачивания θ. Значения θ могут меняться в пределах от 0 до 1800. Величину угла смачивания отсчитывают между твердой поверхностью  и касательной, проведенной к поверхности капли в точке соприкосновения всех трех фаз. Измерение угла производят со стороны жидкости.

Линию, по которой поверхность раздела жидкость – газ соприкасается  с поверхностью твердого тела, называют периметром смачивания.

Угол смачивания, который устанавливается при равновесии трехфазной системы, зависит только от поверхностного натяжения на границах раздела фаз. Если рассматривать поверхностное натяжение как силу, действующую танценциально к поверхности раздела фаз, то связь между углом смачивания и поверхностными натяжениями можно выразить уравнением Юнга.

 

cos θ = σ тг – σ тж / σ жг ,     где

σ тг = σ тж + σ жг cos θ,

Величина cos θ характеризует способность жидкости смачивать поверхность, является критерием смачивания. Если cos θ > 0, то имеет место смачивание, а если cos θ < 0, то смачивания не происходит.

При смачивании происходит уменьшение поверхностной энергии системы. Поверхность с большим избытком энергии заменяется  на поверхность  с меньшим запасом  поверхностной энергии. При этом всегда выделяется теплота, которая называется теплотой смачивания.

Если 0 < θ < 900, это означает, что поверхность гидрофильна ( избирательно смешивающаяся водой),  разность полярностей между твердой фазой и водой меньше, чем между твердой фазой и углеводородом. Жидкость растекается.

Если 900 < θ <1800, это означает, что поверхность гидрофобна ( избирательно смешивающаяся неполярными жидкостями), в этом случае разность полярностей между твердой фазой и избирательно смачивающим углеводородом  меньше, чем между твердой фазой и водой. Жидкость собирается в каплю.

Для гидрофильных поверхностей теплота смачивания водой больше, чем органическими жидкостями; для гидрофобных поверхностей наблюдается обратная зависимость. Отношение теплот смачивания твердой поверхности водой (qвсм) и неполярной жидкостью (qмсм) называют коэффициентом гидрофильности (b):  qвсм/ qмсм = b

Для гидрофильных поверхностей b > 1, для гидрофобных b < 1.

 

В процессах смачивания может происходить инверсия смачивания, которая заключается в изменении типа смачивания за счет адсорбции ПАВ на твердой поверхности. При этом можно гидрофилизировать гидрофобные поверхности и сделать возможным их смачивание водой и другими полярными жидкостями  или придавать гидрофобные свойства первоначально гидрофильной поверхности и делать ее плохо смачивающейся водой. Механизм инверсии смачивания связан с ориентацией молекул ПАВ в поверхностном слое. В случае, когда  твердая поверхность гидрофобна, адсорбированные на ней молекулы ПАВ обращаются к твердому материалу своими углеводородными цепями, а полярными группами – наружу. Поверхность становится гидрофильной.

Инверсия смачивания находит практическое применение, например, для предотвращения отсыревания гигроскопичных порошков.

Явление смачивания несет большое значение в технологии приготовления лекарств и широко используется при следующих процессах: диспергировании, извлечении, при приготовлении мазей и кремов, при таблетировании, при приготовлении взвесей.

Для улучшения смачивания используют смачиватели, обычно это ПАВ. Смачивание имеет значение при проведении многих технологических процессов: крашение ткани, типографское дело, стирка, механическая обработка металлов, бурение скважин и др.

 

28. Получение коллоидных систем  методом химической конденсации. Приведите примеры реакций и формулы образующих мицелл.

 

По размеру частиц золи (коллоидные растворы) занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами – порошками, суспензиями, эмульсиями. Поэтому, методы получения коллоидных систем можно разбить на 2 основные группы:

 
- диспергирование – дробление крупных частиц грубодисперсных систем до коллоидной дисперсности;

- конденсация – соединение  атомов, ионов или молекул в  более крупные частицы (агрегаты) коллоидных размеров.

Независимо от применяемых методов получения коллоидных систем, к общим условиям их получения относятся следующие: 
1. Нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде.

2. Достижение коллоидной дисперсности частицами дисперсной фазы.

3. Наличие в системе, в которой образуются частицы дисперсной фазы, третьего компонента – стабилизатора, который сообщает системе агрегативную устойчивость (чаще всего ПАВ (поверхностно-активные вещества), в том числе высокомолекулярные соединения).

 

Конденсационный метод основан на образовании новой фазы в условиях пересыщенного состояния веществ или пара;

при этом система из гомогенной превращается в гетерогенную т.е. происходит процесс кристаллизации. 
 
Конденсационный процесс включает в себя две стадии: 
1)образование центров кристаллизации (зародышей) в пересыщенном растворе; 
2) рост зародышей.

 

 

 Роль зародышей могут выполнять имеющиеся или вносимые в систему центры кристаллизации - пылинки, небольшие добавки готового золя и др. Чем больше число центров кристаллизации и меньше скорость роста кристаллов, тем выше дисперсность получаемых золей.

Согласно современной теории образования в гомогенной среде зародышей новой фазы, этот процесс является флуктуационным. Условия образования зародышей твердой фазы выражает уравнение:

r =2σVm / R T ln (Cr /C∞), где

r - радиус кристалла;

σ - поверхностное натяжение на границе кристалл-раствор;

Vm - молярный объем кристаллической фазы;

C∞ - концентрация насыщенного раствора; 

Cr - концентрация пересыщенного раствора, необходимая для образования мелких кристаллов с радиусом г.

 

Образование зародышей возможно при условии, когда Cr > C∞ . Из пересыщенного раствора может быть получена высокодисперсная система только в том случае, если скорость образования зародышей V1 намного больше, чем скорость их роста V2, т. е. V1 >> V2. В противном случае образуются крупные частицы, которые не обладают кинетической устойчивостью и выпадают в осадок.

Для различных химических реакций, используемых при получении золей, оптимальные условия образования и роста зародышей подбирают опытным путем. Как правило, высокодисперсные золи получают внесением в разбавленный раствор одного из реактивов небольшого количества концентрированного раствора второго реактива при интенсивном перемешивании. При этом зародыши твердой фазы быстро прекращают рост, так как разбавленный раствор скоро истощается. Образовавшаяся дисперсная фаза часто имеет аморфное строение, которое течением времени приобретает кристаллическую структуру.

 

В случае химической конденсации новая фаза возникает при протекании реакций, приводящих к образованию нерастворимых в данной среде веществ. Это могут быть реакции восстановления, окисления, обмена, гидролиза.

 

1.Реакции восстановления. Применяют для получения золей благородных металлов (платины, золота, серебра). В качестве защитных коллоидов используют ВМВ, которые адсорбируются на поверхности коллоидных частиц и образуют защитные пленки.

При получении золя золота золото-хлористоводородная кислота превращается в аурат натрия по реакции

2НАuС14 + 5Na2СО3 = 2 NaАuО2 + 5СО2 + 8 NaС1 + Н2О

Реакция восстановления аурата натрия формальдегидом протекает по уравнению

2NaАuО2 + ЗНСНО + Na2СО3 = 2Аu + ЗНСООNa + NaНСОз + Н2О

На образующихся микрокристаллах золота адсорбируются ионы аурата, являющиеся потенциалобразующими ионами. Противоионами служат ионы Na+.

Мицелла будет иметь вид:

Частицы золота имеют отрицательный заряд.

 

2.Реакции окисления. При окислении сероводорода  можно получить коллоидный раствор серы.

 

2H2S + O2 à 2S + 2H2O

 

Учитывая возможность стабилизации золя пентатионовой кислотой, можно записать формулу мицеллы следующим образом:

 

{m[S]nS5O62-- 2(n-x)H+}2x-- 2xH+

 

3.Реакции  двойного обмена. Они позволяют получать многие золи труднорастворимых соединений. Например, при смешивании разбавленных растворов нитрата серебра и йодида калия при условии избытка одного из реагентов йодид серебра не выпадает в осадок, а образует коллоидный раствор.

 

AgNO3 + KJ(изб) à AgJ +KNO3

Мицелла будет иметь вид:

{m[AgJ]n-- (n-x)K+}x-- xK+

 

4.Реакции гидролиза. Для получения золей гидроксидов тяжелых металлов применяют гидролиз.

 

FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl

 

Степень гидролиза возрастает с повышением температуры и с увеличением разведения. Кипячение способствует реакции благодаря удалению из системы хлористого водорода с парами воды.

Возможны следующие схемы строения мицелл золя:

 

Если стабилизатор оксохлорид железа (III), то

 

{m[Fe(OH)3]nFeO+ (n-x)Cl--}x+ xCl—

 

Если стабилизатор сам хлорид железа, то

 

{m[Fe(OH)3]nFe3+ 3(n-x)Cl--}3x+ 3xCl—

 

Если стабилизатор сам хлороводород, то

 

{m[Fe(OH)3]nH+ (n-x)Cl--}x+ xCl—

 

При получении золей методами химической конденсации следует отдавать предпочтение реакциям, при которых попутно с труднорастворимым соединением образуются вещества, являющиеся неэлектролитами или слабыми электролитами. Это способствует получению более стабильных золей, так как в системе не образуются излишние электролиты, астабилизирующие золь. Примером такой реакции может служить окисление сероводорода кислородом воздуха.

 

43.Охарактеризуйте  с точки зрения термодинамики поверностный (φ) и электрокинетический (ξ) потенциалы.

 

При образовании двойного слоя ионов на границе раздела твердой и жидкой фаз появляются определенные потенциалы. Ионы первого слоя, фиксированные на твердой поверхности, придают свой знак заряда и создают на ней поверхностный φ – потенциал. Его знак совпадает со знаком заряда потенциалообразующих ионов. Величина φ – потенциала пропорциональна числу зарядов этих ионов на поверхности частиц

 

С точки зрения термодинамики, φ – потенциал равен работе переноса единичного заряда из бесконечно удаленной точки объема раствора на поверхность твердой фазы, т.е. это потенциал твердой поверхности. Прямых методов его измерения не имеется.

 

Второй потенциал электрокинетический (ξ ). Он является потенциалом поверхности скольжения. Однако в двойном электрическом слое точное расстояние от твердой поверхности до поверхности скольжения неизвестно. Поэтому приближенно можно принять, что поверхность скольжения проходит по границе между адсорбционным и диффузным слоями ионов. Следовательно, ξ – потенциал близок, хотя и не совсем идентичен по величине, потенциалу на границе адсорбционного и диффузного слоев.

 

Термодинамически ξ – потенциал это работа, необходимая для переноса единичного заряда из бесконечно удаленного  элемента объема на поверхность скольжения. Знак ξ – потенциала обычно совпадает со знаком  φ – потенциала. Электрокинетический потенциал является частью поверхностного и всегда меньше, чем он. Величина ξ – потенциала непосредственно связана с числом противоионов в диффузном слое и изменяется пропорционально этому числу. С увеличением толщины диффузного слоя ξ – потенциал повышается. Электрокинетический потенциал относится к коллоидной частице и обуславливает ее подвижность в электрическом поле, поэтому величина этого потенциала может быть измерена экспериментально по скорости движения частиц. Направление перемещения частиц к катоду или аноду указывает на знак ξ – потенциала.