Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Дисперсные системы

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 626174.01.99
Приведен ценный теоретический и графический материал. Изложены цель, методы и порядок выполнения четырех лабораторных работ по теме "Дисперсные системы": 1. Получение и свойства гидрофобных золей (коллоидных растворов). 2. Коагуляция золей электролитами. 3. Коллоидная защита. 4. Получение гидрогелей поликремневых кислот. Лабораторный практикум разработан на кафедре химии для студентов специальностей 330200 "Инженерная защита ОС" и 290600 "Производство строительных материалов".
Нуштаева А. В. Дисперсные системы: лабораторный практикум по коллоидной химии : учебное пособие / П. М. Кругляков, А. В. Нуштаева. - Пенза: ПГАСА, 2001. - 28 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/365172 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

Пензенская государственная 
архитектурно-строительная академия 

П.М.Кругляков, А.В.Нуштаева 

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ 

Лабораторный практикум по коллоидной химии 

Пенза 2001 

У Д К 54.77.022 (07в.5) 
Б Б К 24.бя 73 
К84 

Рецензент кандидат химических наук, 
доцент Т.Н.Хаскова 

Кругляков П.М., Нуштаева А.В. 

К84 
Дисперсные 
системы: 
Лабораторный 
практикум. 

Пенза: ПГАСА, 2001. - 28 е.: ил. 

Приведен ценный теоретический и графический материал. Изложены цель, 
методы и порядок выполнения четырех лабораторных работ по теме "Дисперсные системы": 

1. Получение и свойства гидрофобных золей (коллоидных растворов). 
2. Коагуляция золей электролитами. 
3. Коллоидная защита. 
4. Получение гидрогелей поликремневых кислот. 
Лабораторный практикум разработан на кафедре химии для студентов 
специальностей 330200 "Инженерная защита ОС" и 290600 "Производство 
строительных материалов". 

© Пензенская государственная 

архитектурно-строительная академия, 2001 
© П.М.Кругляков, А.В.Нуштаева, 2001 

ВВЕДЕНИЕ 

Гетерогенные системы, в которых одна из фаз находится в раздробленном 
состоянии 
(в 
виде 
капелек, 
пузырьков, 
твердых 
частиц), называются дисперсными системами. Раздробленную фазу 
называют дисперсной фазой. Другая фаза является непрерывной и 
называется дисперсионной средой. 

Грубодисперсные системы состоят из частиц размером более 
КИ-Ю*3 см. Сюда относятся суспензии, эмульсии, пены. Высокодисперсные системы с размером частиц 10~6-107 см называются золями (аэрозоли, лиозоли - по виду дисперсионной среды). Лиозоли 
называют также коллоидными растворами, поскольку внешне (на 
глаз) они не отличаются от истинных молекулярных растворов. По 
совокупности ряда свойств к коллоидным системам относят также 
растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) и мицеллярные 
растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ). 

Важнейшая особенность высокодисперсного (коллоидного) состояния - ведущая роль поверхностных явлений, поскольку по мере 
роста дисперсности увеличивается удельная поверхность, приходящаяся на единицу массы: S0=S/m, 
достигая в коллоидной области 
сотен и даже тысяч м 2/г. Дисперсность Д - величина, обратная 
характерному размеру частиц. Например, для куба: Д=1 / а 
(а~ 
длина ребра куба). Таким образом, значительная доля всей массы и 
свободной энергии системы заключена в межфазных поверхностных 
слоях. Это приводит к изменению свойств системы (коллоидные 
частицы обладают более интенсивной окраской, большей прочностью и твердостью, чем крупные частицы того же вещества) и 
появлению новых свойств (структурообразование, изменчивость, неполная воспроизводимость энергетических характеристик при постоянном составе). 

Особую группу коллоидов составляют связнодисперсные структурированные системы, в которых одна из фаз не перемещается 
свободно, поскольку структурно закреплена. К ним относятся капиллярно-пористые тела (адсорбенты, катализаторы и др.), мембраны (тонкие пленки, обычно полимерные, проницаемые для жидкостей и газов), гели и студни, полиэдрические пены и эмульсии, 
твердые растворы. 

По характеру взаимодействия частиц со средой различают лиофильные и лиофобные системы. Для первых характерно сильное 
межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со 

3 

средой, а для вторых - слабое. Лиофильные системы термодинамически устойчивы (AG<0, где G - энергия Гиббса) и характеризуются самопроизвольным диспергированием (растворы ВМС и 
ПАВ). Лиофобные системы (пены, эмульсии, суспензии, золи) образуются за счет внешней работы либо за счет других процессов, 
протекающих самопроизвольно (например химических) и являются 
термодинамически неустойчивыми (AG>0), однако могут существовать весьма длительное время. Например, красный золь золота, 
полученный еще М.Фарадеем в середине XIX в., до сих пор не 
подвергся никаким внешним Изменениям. 

Эти системы могут существовать в метастабильном (относительно устойчивом) состоянии. В лиофобных системах различают 
кинетическую (седиментационную) устойчивость - способность частиц оставаться во взвешенном состоянии, и агрегативную устойчивость, то есть способность частиц к сохранению дисперсности и 
индивидуальности. Нарушение агрегативной устойчивости вызывают коагуляция (процесс слипания частиц с сохранением прослоек 
дисперсионной среды) и коалесценция (слияние капелек дисперсной фазы, в результате чего уменьшается поверхность раздела фаз). 

Механизмы нарушения кинетической устойчивости и, как следствие, разрушения системы (разделения фаз) заключаются в: 

1) седиментации частиц, характерной для грубодисперсных систем, приводящей к оседанию (или всплыванию) частиц дисперсной 
фазы; 

2) укрупнении частиц вследствие изотермической перегонки 
(диффузии) с последующей седиментацией; 

3) потере агрегативной устойчивости (коагуляции, коалесценции). 

Кинетическая устойчивость объясняется броуновским 
(тепловым) движением частиц дисперсной фазы, которое проявляется тем 
интенсивнее, чем меньше радиус частиц. Таким образом, дисперсная 
система является кинетически устойчивой при радиусе частиц менее 
2-3 мкм (в зависимости от вязкости и плотности фаз), если при 
этом не происходит укрупнения частиц. 

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов описываются закономерностями, присущими и истинным растворам 
(тепловое движение, диффузия, осмотическое давление). Своеобразие этих свойств в коллоидных растворах состоит в том, что они 
выражены значительно слабее, чем в молекулярных растворах, 

4 

вследствие малых величин частичных концентраций (число частиц в 
единице объема). 

Одним из характерных свойств коллоидных растворов является 
опалесценция (переливчатое свечение, наблюдаемое вследствие рассеяния света). Изучение оптических свойств коллоидов позволяет 
определить размер и форму частиц. 

1. ОБРАЗОВАНИЕ И СТРОЕНИЕ 
ДВОЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ. 
СТРОЕНИЕ МИЦЕЛЛЫ ЗОЛЕЙ 

В процессе возникновения коллоидные частицы взаимодействуют с электролитами, при этом на них адсорбируются предпочтительно те ионы, которые содержатся в кристаллической решетке самих частиц, осуществляя их дальнейшую достройку (правило Фаянса-Панета). Возникающий на поверхности избыточный заряд компенсируется ионами противоположного знака, находящимися в 
растворе. Такой механизм возникновения двойного электрического 
слоя (ДЭС) называется адсорбционным. 

Возможен и другой механизм образования заряда, когда ДЭС 
получается вследствие поверхностной диссоциации. 

Рассмотрим адсорбционный путь возникновения ДЭС на примере адсорбции ионов на кристалле AgCl, образованном при взаимодействии растворов нитрата серебра и хлорида калия: 

AgN03 + КС1 
AgCli + KN0 3 

Если одно из реагирующих веществ вззиь в избытке (например 
КС1), то в этом случае образующиеся кристаллы AgCl будут находиться в ионном растворе, содержащем ионы К+, С1~ и NO3". При 
избытке КС1 ионы С1" переходят из раствора в твердую фазу - адсорбируются на твердой поверхности до тех пор, пока на границе 
раздела фаз не возникнет необходимый для равновесия скачок потенциала Аф. Поверхность кристалла приобретает при этом отрицательный заряд (рис.1). 

5 

ДЭС состоит из внутренней обкладки, или адсорбционного слоя 
(ионы С1~), и наружной обкладки, или слоя противоионов (ионы 
К+). Часть противоионов связана с поверхностью относительно 
прочно и входит в плотный слой; остальные противоионы, совершающие тепловое движение около поверхности, составляют диффузный слой. Распределение противоионов между плотной и диффузной частями ДЭС определяется соотношением между электростатическим притяжением ионов к поверхности и их диффузией в 
раствор; последняя определяется тепловым движением ионов и 
зависит от разности концентраций в ДЭС и объеме раствора. 

6 

Если при реакции между AgN03 и КС1 взять в избытке AgN03, 
то внутренняя обкладка ДЭС на кристалле AgCl будет состоять из 
ионов Ag+, а противоионами будут N0 3\ 

Кристалл вместе с ДЭС назывется мицеллой. Ее строение принято изображать в виде формулы. Для рассмотренного выше случая 
формула мицеллы может быть представлена в следующем виде: 

ядро 

агрегат 

противоионы 
плотного 
слоя 

{[mAgCl] nCl", (n-x)K+} x хК+ 

коллоидная частица 
(гранула) 

диффузный слой 

мицелла 

Примером ДЭС, образованного путем поверхностной диссоциации, является ДЭС, возникающий на поверхности стекла в воде 
за счет перехода в раствор катионов (Н+, Na+, К+ и др.); таким 
образом, поверхность стекла в воде заряжается отрицательно. 

На рис.1 изображено изменение потенциала в ДЭС на кристалле 
AgCl в зависимости от расстояния от поверхности. Потенциал ф0 называется термодинамическим потенциалом. Он характеризует скачок потенциала на поверхности раздела фаз. Падение потенциала в 
плотном слое имеет линейный характер (по аналогии с двойньл 
слоем плоского конденсатора). 

Противоионы (К+) не могут подойти к поверхности ближе чем 
на расстояние, определяемое размерами ионов внешней и-внутренней обкладок (К+ и С1~). Плоскость, проведенная через центры тяжести зарядов, ближайших к поверхности противоионов, называется плоскостью максимального приближения (х - d). 

Однако смещение фаз в дисперсной системе относительно друг 
друга, вызванное внешними силами (например электрическим полем), происходит по так называемой поверхности 
скольжения 
(х = Р), которая не совпадает с плоскостью максимального приближения. Потенциал на поверхности скольжения называется электрокинетическим, или ^-потенциалом (дзета-потенциал). Его можно 

7 

рассчитать, измерив скорость относительного смещения фаз в электрокинетических явлениях. Электрокинетический потенциал является важной характеристикой ДЭС. Как видно из рис.1, его значение зависит от числа нескомпенсированных на поверхности скольжения зарядов адсорбционного слоя, то есть от числа ионов в диффузном слое. В диффузной части ДЭС для слабозаряженной поверхности изменение потенциала с расстоянием подчиняется экспоненциальной зависимости: 

где ф0 - потенциал поверхности; 
аг ~ параметр Дебая; 
h — расстояние от поверхности. 
Расстояние, на котором значение потенциала падает в е раз по 
сравнению с потенциалом плоскости наибольшего приближения 
(ф( / е ) , принято считать толщиной ДЭС 8: 

где z - заряд противоионов; 

с - концентрация электролита; 
е - заряд электрона; 
е — диэлектрическая проницаемость среды; 
в0 -8,857-10-12 ф / М ; 
К — константа Больцмана; 
Т - температура. 
Из уравнения (2) следует, что с увеличением концентрации, а 
особенно с увеличением заряда ионов, радиус ДЭС должен уменьшаться. Это объясняется тем, что при добавлении электролита в 
растворе изменяется соотношение между электростатическим притяжением и диффузией, определяющими распределение ионов в наружной обкладке ДЭС (рис.2). 

Влияние концентрации и радиуса одновалентных ионов на ^-потенциал изображено на рис.3. 

Многовалентные ионы могут не только уменьшить величину 
потенциала, но и изменить его знак, то есть произвести перезарядку 
поверхности. Это объясняется их высокой специфической адсорбционной способностью, приводящей к сверхэквивалентной адсорбции. 

ф =Фо"е' 
(1) 

(2) 

8 

d 
f p 
i 

Рис.2. Влияние концентрации ионов на строение ДЭС (сз>с1) 

С 

Рис.3. Влияние концентрации и радикса одновалентных ионов 
на электрокинетическии потенциал 

Изменение строения ДЭС при перезарядке поверхности изображено 
на рис.4. В исходном ДЭС (до перезарядки) в плоскости максимального приближения были одновалентные катионы (Н+); фГпотенциал 
плоскости максимального приближения, а также ^-электрокинетический 
потенциал имели отрицательный знак (рис.4,а). После перезарядки ср0 
не изменился; в плоскости максимального приближения теперь находятся катионы А13+ в сверхэквивалентном количестве (рис.4,б). Избыточный положительный заряд при этом компенсируется содержанием 
анионов С1" в диффузном слое нового ДЭС. Очевидно, что новый 
^-потенциал и <ргпотенциал будут иметь положительный знак. 

9