Основные физико-химические свойства перерабатываемых веществ

 

Министерство образования и науки Российской Федерации Калужский филиал федерального государственного бюджетного  образовательного учреждения высшего профессионального образования  «Московский  государственный технический университет   имени Н.Э. Баумана» (КФ  МГТУ им. Н.Э. Баумана)

 

 

 

ФАКУЛЬТЕТ	"Фундаментальные науки"
КАФЕДРА	"Промышленная экология и химия"

 

 

 

ДИСЦИПЛИНА:		"Теоретические основы защиты ОС"
ТЕМА:	" Основные физико-химические свойства      перерабатываемых веществ"

 

 

 

Выполнил:
Проверил:

 

 

 

Дата сдачи (защиты) домашнего задания:

 

 

 

 

1. Дисперсные системы

Дисперсные системы –гетерогенные системы, состоящие из дисперсионной среды - растворителя, и дисперсной фазы – растворенного вещества. Характерным свойством дисперсной системы является наличие большой межфазной поверхности, поэтому свойства поверхности для нее являются определяющими.

В зависимости от размеров частиц различают два основных класса систем: высокодисперсные и грубодисперсные системы. Промежуточными среди них являются среднедисперсные системы.

Различают трехмерные (частицы), двухмерные (нити, волокна, капилляры, поры) и одномерные (мембраны, пленки) дисперсные фазы.

Взаимодействие между веществами дисперсной фазы и дисперсной среды за счет межмолекулярных сил на границе раздела фаз протекает всегда, но степень его проявления может быть различной.

В зависимости от этого дисперсные системы могут быть лиофильными и лиофобными. Для первых характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазысо средой, а для вторых - слабое. Лиофильные системы термодинамически устойчивы (∆ G ≤ 0) и характеризуются самопроизвольным диспергированием. Системы, в которых самопроизвольного диспергирования не происходит, могут быть названы лиофобными, но лиофилизированы в той или иной степени.

Задание.

В видимом объеме V = 1,33·10-9см3 подсчитано 50 частиц масляного тумана. Определите радиус частиц. Концентрация аэрозоля с = 2,5·10-5 г/см3; ρ = 0,9 г/см3.

Решение:

1. Определим массу частиц в видимом объеме по формуле:

 

 

2. Так как форма частиц масляного тумана не задана, то проводим расчет для 2-х вариантов:

2.1 Принимаем форму частиц за шарообразную:

 

      

2.2 Принимаем форму частиц за кубик

 

 

 

На основании проведенных расчетов можно сделать вывод, что масляный туман, не зависимо от формы частиц, представляет  собой ультрамикро-гетерогенную систему. И обладает следующими признаками: частицы проходят через бумажный фильтр и не проходят через ультрафильтры; частицы не видны в оптический микроскоп, видны в электронный микроскоп и ультрамикроскопом; относительно устойчивы кинетически, неустойчивы термодинамически; прозрачные, опалесцирующие – рассеивают свет.

 

2. Строение коллоидных частиц

Мицелла - это отдельная частица дисперсной фазы коллоидной системы с жидкой дисперсной средой. Избыток одного из компонентов действует как стабилизатор коллоидного раствора.

Агрегат мицеллы должен быть нерастворимым соединением. Потенциалопределяющими ионами могут быть ионы, входящие в дисперсную фазу, изоморфные им ионы, органические ионы с высокой адсорбционной способностью. Противоионы образуют с потенциалопределяющим ионом растворимое соединение. Мицелла в целом электронейтральна.

Задание.

 Золь гидроокиси железа получен при смешивании равных объемов 0,002 н NaOH и 0,003н Fe2(SO4)3. Какой знак заряда имеют частицы золя. Составьте формулу мицеллы золя.

Решение:

Так как объемы NaOH и Fe2(SO4)3 , то в избытке будет 0,003 н Fe2(SO4)3. Таким образом ядром коллоидных частиц золя Fe(OH)3 будут адсорбироваться ионы Fe3+ и частично ионы SO42-. Формула мицеллы золя гидроксида железа будет иметь вид:

 

ПОИ – потенциалопределяющие ионы

3. Коагуляция. Порог коагуляции

Коагуляция — физико-химический процесс слипания коллоидных частиц.

Коагуляция ведёт к выпадению из коллоидного раствора хлопьевидного осадка или к застудневанию. Коагуляция — естественный, самопроизвольный процесс расслаивания коллоидного раствора на твёрдую фазу и дисперсионную среду. Таким образом дисперсная система стремится достигнуть состояния минимальной энергии.

 Коагулирующее действие определяется валентностью того иона, который имеет заряд, противоположный по знаку заряду коллоидной частицы. С повышением заряда коагулирующего иона коагулирующее действие данного электролита повышается. Это положение известно под названием правила значности (правило Шульце-Гарди). Для ионов одинаковой валентности коагулирующая способность возрастает с увеличением радиуса иона (или с уменьшением радиуса гидратированного иона). Минимальную концентрацию электролита, при которой начинается быстрая коагуляция, называют порогом коагуляции (Ск).  Величину, обратную порогу коагуляции, называют коагулирующей способностью (р = 1/Ск).  Коагуляцию вызывают те из ионов прибавляемого электролита, у которых знак заряда противоположен заряду коллоидных частиц. В соответствии с правилом Шульце-Гарди порог коагуляции резко снижается с увеличением заряда иона-коагулятора

Задание.

Определите пороги коагуляции электролитов, если известно, что в трех колбах взято по 10см3 золя хлорида серебра. В первую колбу добавлено 2см3 1н NaNO3, во вторую – 12см3 0,01н. Ca(NO3)2, в третью 7см3 0,001н Al(NO3)3. Какой заряд несут частицы полученного золя?

Решение:

1. Определим порог коагуляции  для электролита 

1.1 Определим сколько мг-экв NaNO3 содержится в 2 см3 1н NaNO3

 

1.2 Определим общий объем  раствора

 

1.3 Вычислим порог коагуляции (мг-экв на 1л золя)

 

Аналогично проводим расчет и для 2-х других электролитов.

2.  Определим порог  коагуляции для электролита 

2.1 Определим сколько мг-экв содержится в 12 см3 0,01н

 

2.2 Определим общий объем раствора

 

2.3 Вычислим порог коагуляции (мг-экв на 1л золя)

 

3.  Определим порог коагуляции для электролита

3.1 Определим сколько мг-экв содержится в 7 см3 0,001н

 

3.2 Определим общий объем раствора

 

3.3 Вычислим порог коагуляции (мг-экв на 1л золя)

 

Электролиты содержат анионы одинакового знака (, а заряды катионов различны (. Чем заряд катиона больше, тем порог коагуляции становится  меньше. Самый наименьший порог коагуляции, и следовательно, наивысшая коагулирующая способность у ионов . На основание полученных расчетов можно сделать вывод, что частицы золя хлорида серебра заряжены отрицательно.

4. Электрокинетические свойства коллоидных систем

На границе скольжения между движущейся частицей и средой возникает электрокинетический потенциал или –ξ - потенциал (дзетта - потенциал), который всегда меньше ϕδ- потенциала на границе частица - среда, обусловленного поверхностным зарядом. В отличие от ϕδ -потенциала, который практически не изменяется от введения посторонних электролитов в дисперсионную среду, ξ- потенциал очень чувствителен к небольшим количествам электролита. При введении электролита наблюдаются два явления - ионообменная адсорбция в двойном слое и изменение толщины ДЭС как следствие изменения ионной силы раствора. Расчет ξ - потенциала осуществляют по формуле Гельмгольца – Смолуховского.

Величина электрокинетического потенциала зависит от концентрации ионов электролитов в растворе н от их заряда. Чем больше концентрация раствора электролита, тем меньше толщина диффузионной части ДЭС, тем меньше ξ-потенциал; ξ=0, если ионы диффузионного слоя перейдут в адсорбционный.

Задание.

 Вычислите величину -потенциала на границе кварц-водный раствор KCl. Процесс электроосмоса получены следующие данные:  J=2·10-3А; время переноса 0,01·10-6м3 раствора τ=11с; χ=6,2·10-2Ом-1·м-1;  η=10-3Н·с/м2, ε=81; ε0=8,85·10-12ф/м.

Решение:

1. Вычислим объемную скорость по формуле:

 

 

2. Вычислим величину -потенциала с помощью следующей зависимости:

 

 

Необходимыми условиями электроосмоса являются: заполнение пор проводящей жидкостью, диаметр пор и наличие ζ-потенциала на границе адсорбционного и диффузного слоев. Таким образом по результатам расчета можно сделать вывод, что процесс электроосмоса еще не окончен.

5. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем

К молекулярно-кинетическим свойствам дисперсных систем относятся броуновское движение, диффузия, осмотическое давление и седиментационная устойчивость. Количественно диффузия характеризуется потоком Ji, равным массе вещества, проходящей за единицу времени через условную единичную поверхность, располагаемую перпендикулярно направлению потока. Осмосом называется односторонняя диффузия дисперсионной среды. Осмос можно наблюдать тогда, когда раствор или золь отделены от чистой дисперсионной среды или растворителя (или раствора и золя другой концентрации) полупроницаемой мембраной, пропускающей молекулы растворителя или среды. Вследствие различия концентраций по обе стороны мембраны в отделенных друг от друга частях системы существует неравенство химических потенциалов, из-за чего возникает в растворе или золе избыточное по сравнению с другой частью системы давление. Разность давлений называется осмотическим давлением. В микрогетерогенных системах (суспензиях, эмульсиях, газовых эмульсиях, аэрозолях), частицы которых благодаря большой массе не могут принимать участия в тепловом (броуновском) движении, происходит седиментация- осаждение или всплывание частиц. Частицы дисперсной фазы в гравитационном поле оседают, если их плотность больше плотности дисперсионной среды, или всплывают, если их плотность меньше плотности дисперсионной среды.

Задание.

Рассчитайте и сравните осмотическое давление двух гидрозолей сернистого мышьяка As2S3 одинаковой концентрации и различной дисперсности: r1 = 30·10-9м; r2 = 55·10-9м.

Решение:

Для двух систем одинаковой концентрации и равной плотности, но разных радиусов частиц:

 

 

На основание полученных расчетов можно сделать вывод, что чем меньше  радиус частиц тем выше осмотическое давление коллоидной системы, так как число отдельных частиц, принимающих участие в молекулярно-тепловом движении выше. Но так же не стоит забывать что с течением времени происходит процесс агрегации коллоидных систем в результате которой размер частиц возрастает, а суммарное их число – уменьшается, и следовательно значение осмотического давления уменьшается. Таким образом частицы с большим радиусом легче извлечь из СВ, что связано с их малой подвижностью.