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

Коллоидные растворы и суспензии: руководство к действию

Покупка
Артикул: 713519.02.99
Рассматриваются традиционные коллоидные растворы и суспензии. Представлен коллоидный магнетит, на примере которого иллюстрируютсяи тестируются теоретические и практические аспекты технологии дисперсных систем. Его магнитные свойства предоставляют дополнительные экспериментальные возможности для решения актуальных задач коллоидной химии. Приложение включает компакт-диск с программными средствами, реализующими вычислительные процедуры по решению представленныхв книге уравнений при заданных пользователем условиях. Предназначено для технологов, занимающихся разработкой, производством композиционных материалов на основе высокодисперсных компонентов; для использования в учебном процессе при подготовке дисциплин «Коллоидная химия», «Теория дисперсных систем» студентам профильных специальностей.
Бибик, Е.Е. Коллоидные растворы и суспензии: руководство к действию : учеб. пособие / Е.Е. Бибик. - Санкт-Петербург : ЦОП «Профессия», 2018. - 252 с. - ISBN 978-5-91884-092-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1045677 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

Е. Е. Бибик




                КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ И СУСПЕНЗИИ




Руководство к действию

Учебное пособие с компакт-диском

Рекомендовано Методическим советом ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)»








11Ы1.11.Ы.ШД

Санкт-Петербург
2018

     ,—.4 центр
       |]| __|rFotwi
0&ГРОФЕССИЯ

УДК 544.77
ББК24.6
Б59

Рецензенты: професор кафедры коллоидной химии СПбГУ, доктор хим. наук А. Н. Жуков, зав. кафедрой высокомолекулярных соединений и коллоидной химии ФГАОУ В О «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского», доктор хим. наук С. Д. Зайцев
Б59
      Е. Е. Бибик. Коллоидные растворы и суспензии. Руководство к действию : учебное пособие. — СПб. : ЦОП «Профессия», 2018. — 252 с. : компакт-диск.

      ISBN 978-5-91884-092-4

      Рассматриваются традиционные коллоидные растворы и суспензии. Представлен коллоидный магнетит, на примере которого иллюстрируются и те стиру ются теор етиче ские и пр актиче ские асп е кты техн оло ги и ди спер сных систем. Его магнитные свойства предоставляют дополнительные экспериментальные возможности для решения актуальных задач коллоидной химии.
      Приложение включает компакт-диск с программными средствами, реализующими вычислительные процедуры по решению представленных в книге уравнений при заданных пользователем условиях.
      Предназначено для технологов, занимающихся разработкой, производством композиционных материалов на основе высокодисперсных компонентов; для использования в учебном процессе при подготовке дисциплин «Коллоидная химия», «Теория дисперсных систем» студентам профильных специальностей.
УДК 544.77
ББК24.6

Все права защищены Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форзле без письменного разрешения владельцев авторских крав

Информация^ содержащаяся в данной книге, получен а из источников рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виф возможные человеческие или технические ошибки, издательство незложет гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованиезл книги


ISBN 978-5-91884-092-4

               ©Е. Е. Бибик, 2018
                                    © ЦОП «Профессия», 2018
                                    ©Оформление: ЦОП «Профессия», 2018

            Содержание



Введение...................................................6
1. Свойства поверхности....................................9
  1.1. Геометрические параметры...........................9
  1.2. Адсорбция газов...................................14
  1.3. Поверхностный слой................................25
  1.4. Поверхностное натяжение ..........................30
  1.5. Поверхностно-активные вещества....................38
  1.6. Уравнения изотермы адсорбции и строение адсорбционного слоя.................................................. 41
2. Капиллярные явления...................................46
3. Двойной электрический слой............................61
  3.1. Теория диффузного слоя............................61
  3.2. Плотная часть двойного слоя.......................73
  3.3. Двухслойная модель плотного слоя..................83
4. Взаимодействие частиц.................................93
  4.1. Расклинивающее давление...........................93
  4.2. Электростатическое отталкивание...................96
  4.3. Отталкивание адсорбционных слоев..................99
  4.4. Молекулярное притяжение..........................100
  4.5. Взаимодействие сферических частиц................103
  4.6. Устойчивость против коагуляции...................109
  4.7. Критическая концентрация электролита.............111
  4.8. Эффекты смещения плоскости локализации заряда....114
5. Кинетические свойства дисперсных систем..............122
  5.1. Регулярное и хаотичное движение частиц...........122
  5.2. Диффузия.........................................126
  5.3. Равновесное распределение дисперсной фазы........128
  5.4. Оседание устойчивых концентрированных суспензий..131

3

Содержание

  5.5. Кинетика коагуляции..............................138
  5.6. Фрактальная размерность и структура флокул.......141
  5.7. Параметры состояния и коагуляционное структурирование взвеси................................................146
  5.8. Скорость оседания флокул.........................149
  5.9. Расслоение и структурирование....................151
  5.10. Уравнения эволюции суспензий....................156
  5.11. Медленная коагуляция............................160
6. Оптические свойства дисперсных систем................172
7. Реология дисперсных систем...........................182
  7.1. Условность деления материалов на жидкие и твердые...182
  7.2. Основы механики де формируемой среды и ее модели....183
  7.3. Вязкость и классификация текучих мате риалов.....190
  7.4. Статическая структура дисперсных систем..........197
  7.5. Модель Эйнштейна.................................203
  7.6. Вращательная вязкость............................206
  7.7. Модель Френкеля—Эйринга и ее развитие............207
  7.8. Уравнение структурного состояния. Цепочечная модель.212
  7.9. Диссипативная функция и реологическое уравнение.....215
  7.10. Фрактальная модель тиксотропных систем..........217
  7.11. Уравнение состояния и уравнение реологии тиксотропных систем................................................219
  7.12. Течение в тонких каналах........................222
  7.13. Течение Пуазейля................................224
8. Магнита о едав лени ев феррожидкостях................227
9. Пейта зайдя..........................................233
  9.1. Химическая конденсация...........................233
  9.2. Синтез высокодисперсно го магнетита..............235
  9.3. Приготовление коллоидного раствора пептизацией магнетита ............................................238
  9.4. Приготовление феррожидкости на нелетучем углеводороде ....240
  9.5. Магнитостатическое давление......................243
Литература..............................................249

4

Содержание

   Компакт-диск. Инструментарий коллоидной химии. Руководство пользователя
   Расчетный инструментарий
   1.   Двойной электрический слой. Программа ВЕТ1396, ее описание
   2.   Равновесие Доннана. Программа Donnan, ее описание
   3.    Функции взаимодействия частиц и их экстремумы. Программа FnkExt, ее описание
   4.   Константа скорости коагуляции по Фуксу. Программа FuxKinetic, ее описание
   5.   Реология и магнетореология. Программа Frenkel, ее описание
   6.   Кинетика коагуляции и разделения фаз суспензий. Физическая модель TINA 129 8, ее описание
   7.   Оптическая диагностика коагуляции. Программа opticZ и ее описание
   8.   Седиментационный анализ. Программа sedAnls и ее описание
   9.   Кинетика уплотнения осадков. Программа preCompress и ее описание
   Учебные материалы
   10.   Комплект задач по коллоидной химии и алгоритмы их решения средствами MS Excel. Программы CldTskO41 и CldTskNet. Инструкция
   11.   Самоподготовка, самоконтроль и тестирование по коллоидной химии средствами MS Excel. Программа CollTest08 и LabTestO5. Инструкция
   12.  Наглядно о коагуляции. Программа visualFloc, ее описание
   13.  Динамика адсорбции. Программа polySorb, ее описание Дополнения
   14.   Обработка экспериментальныхданных. Программы Galina 16 и Galina.U, описание.
   15.   Равновесное распределение концентрации. Программа SDKinetic, описание
   16.    Имитация лабораторных работ. Программа LabWork5, описание
   17.  Задача. Программа CldTskSm, описание
   18.  Динамика коагуляции. Программа Karatl7, описание

5

            Введение



   Высокодисперсные металлы, углерод, карбиды, нитриды, сульфиды, оксиды индивидуальных, металлов и их комбинаций являются востребованным продуктом современных нано- и микротехнологий. Один из этапов синтеза продукта с требуемой дисперсностью и химической однородностью — это его получение в виде устойчивого коллоидного раствора (золя). В раде случаев такие растворы являются и конечным продуктом. В этом случае предъявляются особенно высокие требования к устойчивости коллоидных растворов. Примером являются магнитные жидкости (феррожидкости) — устойчивые, концентрированные растворы магнетита. В данном пособии на примере приготовления золей магнетита осваиваются и закрепляются как общие закономерности управления процессом синтеза простых и комбинированных оксидных материалов, так и особенности приготовления устойчивых коллоидных растворов ферритов и их аттестации по устойчивости и функциональным свойствам.
   Хрестоматийный метод получения золей — химическая конденсация может гарантировать получение устойчивых коллоидных растворов только при малой концентрации дисперсной фазы, не представляющей практического интереса в силу крайне низкого выхода готового продукта по отношению к расходу воды и использованию емкостного оборудования. По этим показателям приемлем метод пептизации — получение осадка того же продукта и по той же химической реакции с последующим переводом осадка в состояние устойчивого коллоидного раствора. Этот метод позволяет получать концентрированные устойчивые коллоидные растворы в любом растворителе, в том числе отличном от того, в котором проводится синтез дисперсного вещества (обычно в воде) и готовить устойчивые суспензии из любого дисперсного материала, в том числе полученного от сторонних производителей.
   Замкнутый цикл пептизации включает синтез дисперсной фазы в виде осадка. Выбор способа и эффективность пептизации зависит от условий проведения синтеза. Они определяют, в частности, электрические свойства образующихся частиц, ответственных за все этапы создания коллоидного раствора или иного композиционного материала: от синтеза частиц до функциональных свойств раствора. Закономерности, определяющие электрофизические параметры частиц и устойчивость дисперсных систем к коагуляции являются теоретической

б

Введение

основой технологии приготовления коллоидных растворов и регулирования их свойств. Молекулярно-кинетические свойства и явления, включая кинетику коагуляции, структурирование и реологию, — составная часть потребительских свойств дисперсных систем различного функционального назначения, а также средства их диагностики.
   Предполагается, что данное пособие может служить руководством к получению высокодисперсных веществ, приготовлению коллоцдных растворов, суспензий и других композиционных материалов на основе различных твердых, жидких и плавких веществ. Разумеется, ни одно пособие не может охватить все возможные комбинации компонентов. Детально описывается только получение коллоцдных растворов одного вещества — магнетита в водной и углеводородной среде. Максимум пользы читатель получит, если в реальности или виртуально воспроизведет приведенные в пособии примеры, а главное — нацдет подтверждение целесообразности тех или иных действий в теоретическом разделе данного пособия. Для этого в распоряжение читателя предоставляется наиболее полное на сегодняшний день и последовательное изложение теоретических основ технологии, диагностики и функциональности дисперсных систем. Все они базируются на возможности регулировать состояние и свойства поверхности дисперсных частиц, поэтому основному содержимому книги предшествует краткое введение в учение о поверхностных явлениях.
   Выбор магнетита в качестве объекта для конкретизации пояснений и практического освоения приемов получения коллоцдных растворов обусловлен тем, что его магнитные свойства предоставляют уникальные дополнительные возможности диагностики эффективности тех или иных способов стабилизации дисперсных систем, включая принцип действия стабилизатора, его химическую пр гр оду и природу дисперсно иной среды. Важным аргументом в пользу отмеченного выше выбора является тот факт, что в силу уникальных свойств коллоцдных растворов магнетита они приобрели популярность под названиями «магнитные жцдкости» и «фер-рожцдкости». Достаточно широкое распространение получило их изготовление, даже в домашних условиях. Они заняли прочное место в раде отраслей машино- и приборостроения. В связи с этим в пособие включена глава, посвященная магнитному давлению — эффекту на котором основано практическилюбое из существующих применений феррожцдкостей.

   Автор выражает искреннюю благодарность ректорату Санкт-Петербургского государственного технологического института за финансовую поддержку издания книги и заведующему кафедрой коллоцдной химии Сивцову Евгению Викторовичу за деятельное участие в подготовке рукописи к изданию.
Бибик Е. Е.


7

            Использование компакт-диска


   Здесь представлены программные средства в папке excel и их описание в файле cldTools.doc. Программы предназначены для решения различных задач теории и технологии колловдных систем, а также для самоподготовки студентов по курсу коллоидной химии. Описание каждой программы содержит все необходимые сведения и инструкции по ее использованию для проведения отдельных вычислений и нахождения различных зависимостей из области физики, химии и технологии дисперсных систем, а также для ознакомления на конкретных примерах со свойствами колл овдов, основными явлениями и закономерностями этих систем. Несмотря на то что большая часть описания касается средств решения технологических задач прикладного характера, основное назначения программного комплекса — учебное. В первую очередь это интерактивное учебное пособие для всех, у кого возникла потребность разобраться и в элементарных понятиях коллоидной химии, и в новейших ее достижениях как инструменте решения проблем теории и технологии дисперсных систем. Представленные надиске программные средства являются приложением к книге «Коллоидные растворы и суспензии» — обычному текстовому изложению современного учения о коллоидных растворах, суспензиях и других дисперсных системах и поверхностных явлениях. Именно наличие программного комплекса дает основание позиционировать содержимое упомянутой книги как руководство к действию. Наиболее успешным будет и достижение уч ебньгх целей, и решение прикладных задач при использовании всех трех составляющих: книги, комплекта программных средств и руководства пользователя. Компакт диск может быть укомплектован всеми тремя компонентами или только программными средствами и руководством. Последний вариант позволяет решать утилитарные задачи, не вдаваясь в тонкости теории колл овдов.
   Комплекс программ состоит из независимых файлов — документов MS Excel (папка excel). Каждый может открываться и использоваться для расчетов независимо от других файлов. В большинстве случаев они содержат макросы, поэтому настройка табличного процессора MS Excel должна разрешать их загрузку. Перед загрузкой файлов на CD все файлы проверены на отсутствие вирусов (средствамиNorton Internet Security). Руководство к программам содержится в файле cldTools.doc. Начальные сведения о правилах работы в среде MS Excel содержатся в инструкции к программе CldTsk***.

8

            1. Свойства поверхности


1.1. Геометрические параметры


   Объект изучения коллоидной химии — дисперсные системы и поверхность, по которой осуществляется соприкосновение двух фаз.
   Дисперсными принято называть гетерогенные системы, состоящие, как минимум, из двух фаз, причем одна из них, например, твердая (фаза я) находится в дисперсном, т. е. измельченном состоянии. Другая фаза — сплошная, например, жвдкая (фаза f) является при этом средой (дисперсионной средой), несущей в себе дисперсную фазу (рис. 1.1). Фаза — это часть системы, которая по химическому составу или физическому (агрегатаому) состоянию отличается от остальной части системы и отделена от нее поверхностью раздела. Вместо термина «поверхность раздела фаз» могут использоваться эквивалентные термины «поверхность контакта фаз», «межфазная поверхность», наконец просто «поверхность» или «граница раздела».

Рис. 1.1

9

1. Свойства поверхности

   Дисперсная система может содержать и более двух фаз, но обычно только одна из них может быть средой, а остальные должны быть дисперсными. Примером являются краски, составленные для придания им нужного цвета из нескольких пигме нтов (ZnO, РЬ₃О₄ и др.) и общей среды (олифы, раствора полимера, а иногда и просто воды). Каждая из фаз дисперсной системы может быть в любом агрегатном состоянии: газообразном, жидком или твердом и иметь иную химическую природу (или ту же самую). Поэтому дисперсные системы неисчерпаемы в своем многообразии. Их принято классифицировать по агрегатному состоянию дисперсионной среды: системы с газообразной средой называются аэрозолями (дым, пыль, порошок, туман), дисперсная смесь двух нерастворимых жидкостей — это эмульсия, а к системам с жвдкой средой и твердой дисперсной фазой относятся суспензии и собственно коллоидные растворы или золи. Последние отличаются от суспензий меньшим размером частиц. Весьма разнообразны системы с твердой средой — это подавляющее большинство конструкционных материалов, включая сплавы металлов и природных минералов. В отечестве иной литературе типы дисперсных систем с различными агрегатными состояниями фаз принято обозначать дробью, составленной из начальных букв названий агрегатного состояния фаз: в числителе — агрегатного состояния дисперсной фазы, в знаменателе — состояния среды, например, Т/Ж (твердая дисперсная фаза и жидкая среда), Ж^Ж^, (обе фазы жвдкие) и т. д.
   Для существования дисперсной системы обычно необходим еще один компонент — стабилизатор. Он присутствует в системе в растворенном состоянии в дисперсионной среде. Его назначение — образовывать на частицах защитные оболочки (элемент б/на рис. 1.1), предотвращающие слипание частиц.
   Общей геометрической особенностью всех дисперсных систем является большая величина удельной (на единицу массы или объема системы) поверхности контакта фаз. Она также является фундаментальным свойством любой дисперсной системы. Если дисперсная фаза системы состоит из частиц одинакового размера и формы (например, из сферических частиц радиусом а), то она называется монодисперсной и ее удельная поверхность Ау = з/т может быть легко вычислена при известном размере частиц как отношение поверхности s = 4ла² одной частицы к ее массе т = vp, где р — плотность дисперсной фазы и v = 4тш³/3 — объем одной частицы:

10

1. Свойства поверхности

4=з/ар.                      (i.i)

   Удельная поверхность единицы объема дисперсной фазы Ао — это отношение поверхности к объему частиц Ао = s/v. По порядку величины и размерности она обратна размеру частиц и называется дисперсностью:

А=г/а.                       (1.2)

   Формула (1.1) не находит практического применения по двум причинам: 1 — реальные системы полцдисперсны и полиморфны, т. е. содержат частицы разного размера и формы, и поэтому величина а не имеет определенного значения; 2 — не всякую дисперсную систему можно однозначно разделить на дисперсную фазу, состоящую из частиц, и дисперсионную среда Примером могут служить пористые материалы с открытыми порами (активированный уголь, губка, пемза и др.) и волокнистые материалы. В них обе фазы непрерывны, т. е. нет отдельных частиц, разделенных прослойками другой фазы.
   Более универсальной геометрической характеристикой дисперсной системы является ее удельная поверхность. Удельная поверхность, как параметр, подлежащий экспериментальному определению, часто более доступен, чем размер частиц. Универсальный метод измерения удельной поверхности основан на явлении адсорбции. Позже будет дано строгое определение этого понятия, а пока можно ограничиться наглядным определением: явление адсорбции — это налипание на поверхность молекул некоторого вещества, присутствующего в дисперсионной среде в качестве одного из ее компонентов. Это может быть растворенное в жидкой среде вещество или мол едал ы газообразной среды. Термин «адсорбция» употребляется для обозначения как явления, так и количества адсорбированного вещества. Обычно его вычисляют по изменению (убыли) концентрации растворенного в дисперсионной среде вещества или убыли давления газа.
   Адсорбированное на поверхности коллоцдной частицы вещество увеличивает ее размер. На рис. 1.1 слой адсорбированного вещества (защитная оболочка) показан в виде прозрачного ореола вокруг более темного тела самой частицы. Роль адсорбции не сводится

И

1. Свойства поверхности

к измерению основной геометрической характеристики системы — удельной поверхности дисперсной фазы. В коллоидных системах адсорбция является основным механизмом создания на поверхности частиц защитных оболочек, способных предотвращать слипание частиц и тем самым противодействовать разрушению коллоидного раствора и другим нежелательным изменениям состояния диспе рсных систем.
   Количество адсорбированного вещества обычно относят к площади поверхности дисперсной фазы (адсорбента). Символом Г будем обозначать удельную адсорбцию — количество адсорбированного вещества на единицу площади поверхности, выраженную числом киломоль на 1 м² (кмоль/м²). Отметим, что киломоль как химическая единица количества вещества соответствует системе единиц СИ и согласуется с другими величинами этой системы. Соответственно, концентрация в системе СИ выражается в кмоль/м³ и совпадает с традиционной в химии единицей: моль/литр. Последняя вошла во многие фундаментальные понятия и константы и потому, безусловно, предпочтительна. Например, водородный показатель раствора pH определен именно в этой шкале концентраций.
   Принятие киломоль как базовой химической единицы количества вещества требует соответствующего изменения значений и размерностей физико-химических констант: числа Авогадро Nₖ = 6,023-10²⁶ 1/кмоль, газовой постоянной 7? = 8310 кДж/кмоль, числа Фарадея F= 9,65■ 10⁷ Кл/кэкв(Кулон/килоэквивалент).
   Если поверхность адсорбента неизвестна, то удельная адсорбция выражается количеством адсорбированного вещества 2”(кмоль/кг) на единицу массы дисперсного адсорбента. Она связана с адсорбцией Г на единицу площади формулой

^ = ГАу.                      (1.3)

   Это позволяет вычислить удельную поверхность = 2/Г, если адсорбция Г на единицу площади либо доступна теоретическому вычислению, либо предварительно определена экспериментально на материале той же природы, что и исследуемый, но с известной поверхностью. Эта проблема упрощается с помощью модели мономолекулярной адсорбции, согласно которой молекулы могут

12

1. Свойства поверхности

налипать на поверхность только в один слой, а его полное заполнение соответствует достижению предельно возможной величины адсорбции Гот (предельной адсорбции) — образованию насыщенного мономоле кулярного адсорбционного слоя (рис. 1.2).
   Предельная адсорбция выражается через площадь >?₀, занимаемую в насыщенном слое одной молекулой (посадочную площадку молекулы). В случае простой геометрии адсорбированных молекул >?₀ выражается через их размер. Если считать, что молекула — это сфера радиусом г, то >?₀= ти² и тогда

Г„=1ДА и                           (1.4)
   Здесь Хт — предельная адсорбция на единицу массы.


Рис. 1.2

   Условия эксперимента не всегда позволяют довести адсорбцию до ее предельной величины^ и потому последняя должна находиться экстраполяцией серии измеренных значений адсорбции к предельной величине. Для этого необходимо располагать уравнением, описывающим зависимость адсорбции от концентрации адсорбируемого вещества. Зависимость адсорбции от концентрации сорбата называется изотермой адсорбции (имеется в виду постоянство температуры). Практическое значение адсорбции выходит за рамки интересов коллоидной химии. Она является основным приемом улавливания и концентрирования редких элементов, очистки газов



13