МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Скачати 0.87 Mb.

Назва	МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ
Сторінка	9/10
Дата	05.04.2013
Розмір	0.87 Mb.
Тип	Документи

bibl.com.ua > Фізика > Документи

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Тема: Кінетична, агрегативна, седиментаційна стійкість.
Стислі теоретичні відомості

В колоїдних системах розрізняють два види стійкості – агрегативну і седиментаційну.

При броунівському рухі міцели золей можуть зіштовхуються одна з іншою і приєднуватися в більш крупні агрегати, т.е. може порушуватися агрегативна стійкість. Порушення агрегативної стійкості може привести до появи крупних частинок – агрегатів, які уже не зможуть розміщатися по всьому обєму, т.е. система втрачає і седиментаційну стійкість. Втрата седиментаційної стійкості приведе до руйнування золю, частинки його дисперсної фази будуть осаджуватися – седиметирувати або вспливати. Властивість дисперсних систем зберігати певний розподіл частинок по об’єму дисперсного середовища називається седиментаційною стійкістю.

Грубодисперсні системи седиментаційно не стійкі, їх частинки осаджуються під дією сили тяжіння. Молекулярні системи (гази, розчини) володіють високою седиментаційною стійкістю. Седиментаційна стійкість колоїдних систем залежить від розмірів їх частинок: чим менший розмір частинок, тим більш стійкий колоїдний розчин.

Колоїдні системи характеризуються певним розміром частинок і можуть існувати без порушення агрегативної стійкості і руйнування протягом тривалого часу. Це говорить про те, що крім сил, які визивають злипання колоїдних частинок в крупні агрегати, між міцелами існують також сили відштовхування. Вони і визначають агрегативну стійкість.

Для гідрозолей встановлений зв’язок між агрегативною стійкістю і швидкістю електрофорезу. Чим золь більш стійкий, тим у нього вища швидкість електрофорезу. Електрофорез зумовлений існуванням подвійного іонного шару міцели, і швидкість його пропорційна електрокінетичному портенціалу. Відповідно, агрегативна стійкість гідрозолей також пов’язана з наявністю подвійного електричного шару і сили відштовхування, які виникають між міцелами, визначаються -потенціалом, т.е. мають електростатичну природу.

При зближенні двух міцел спочатку взаємодіють іони дифузійних шарів. Так як іони одного знаку і достатньо рухомі, то відштовхуютьсь одна від іншої, дифузійний шар буде деформуватися на протилежній стороні міцели. При подальшому зближенні міцели починають взаємодіяти не дифузійні шари, а однойменно зарядженні колоїдні частинки, заряд яких дорівнює електрокінетичному потенціалу. Чим більший електрокінетичний потенціал, тим більші сили відштовхування і відповідно, тим вища агрегативна стійкість золю.

Електрокінетичне відштовхування – це не єдина причина агрегативної стійкості золю. На поверхні колоїдних частинок завдяки взаємодії поверхневих молекул дисперсної фази з молекуламим дисперсного середовища можуть утворювати адсорбційно-сольватні оболочки. В більшості випадків сольватація можу служити тільки фактором, який доповнює дію електростатичних сил. Для ліофільних золей сольватація являється основною причиною стійкості.

Кінетична стійкість – це стійкість дисперсних систем по відношенню до дії сили тяжіння. Цей вид стійкості пояснюється наявністю молекулярно-кінетичного або броунівського руху, залежить від розміру частинок.
Завдання для виконання самостійної роботи.

1. Який встановлюється зв'язок між агрегативною стійкістю і швидкістю електрофорезу у гідрозолей?

2. Яка основна причина агрегативної стійкості гідрофобних золей?

3. Що таке седиментаційна стійкість?

4. Від яких факторів залежить кінетична стійкість?

5. Як залежить седиментаційна стійкість колоїдних систем від розміру частинок?
Самостійна робота № 21

Тема: Практичне використання коагуляції, теорія Дерягина, залежність коагуляції від стабілізатора.
Стислі теоретичні відомості

Коагуляція - процес злипання колоїдних частинок, утворення більш крупних агрегатів з наступною втратою колоїдною системою седиментаційної стійкості.

Коагуляцію можна викликати нагріванням, замерзанням, перемішуванням, центрифугуванням, додаванням різних електролітів.

Найбільш легко досягається коагуляція золей під дією електролітів. Додаванням електролітів до іоностабілізованого колоїдного розчину призводить до зниження електрокінетичного потенціалу, тобто до зменшення сил відштовхування.

Коагуляційні процеси використовують в різних технологічних процесах. Коагуляцію широко використовують при очищенні води, яка поступає у відповідну мережу. Коагуляційні процеси використовують у цукровій промисловості - при очищенні соку цукрового буряка - дифузійного соку.
Теорія коагуляції Дерягина

Теорію стійкості і коагуляції колоїдів розробив Дерягин. В основі цієї теорії лежать два положення: уява про ван-дер-ваальсові сили тяжіння і уява про сили відштовхування, які виникають при зближенні колоїдних частинок, характеризуються однотипним подвійним електричним шаром.

Енергія міжмолекулярного тяжіння проявляється на відстані. На великих відстанях вона меньша енергії броунівського руху і тому не має великого значення. У частинок, які зближуються міжмолекулярне тяжіння різко зростає.

На відстані 100 А⁰ і менше (біля 10^-6 см) вірне наступне рівяння:

де, А – константа молекулярної взаємодії;

 - ширина зазору;

Q – сила міжмолекулярного тяжіння.

Електростатичні сили відштовхуваня між частинками виникають тільки тоді, коли взаємно перекриваються їх іоннні атмосфери. Іони в області перекриття будуть одночасно випробувати дію внутрішніх оболочок обох частинок. Це призве до перерозподілу іонів, порушить електричну рівновагу системи. При малих зазорах між поверхностями мають перевагу сили молекулярного тяжіння.

При зазорах міцели, меньшими,чим 10^-7 – 10^-8 см, тиск швидко зменшується, приближається до нуля. Різку перевагу мають ван-дер-ваальсові сили зчеплення між молекулами – починається агрегація частинок, т.е. процес коагуляції.

Коли в колоїдну систему вводять електроліт, то тим самим визивають зменшення товщини іоннної атмосфери і зменшення тиску. В результаті появляються більш сприятливи умови для переваги сил тяжіння між колоїдними частинками над силами відштовхування між ними.

Стабілізація і коагуляція колоїднодисперсних систем зв’язані з різними хімічними реакціями між коагулюючим електролітом і речовиною, яка адсорбує колоїдну частинку. Це приведе до зміни хімічної природи поверхні частинки і ускладнює картину коагуляції. Відомі колоїдні системи, які залишаються стійкими і після повного знищення стабілізуючих електролітів, т.е. коли частинки залишають свої елекричні заряди. До числа подібних систем відносяться гідрозолі кремнезема і глинозема. Міцели, які утворюються цими речовинами відрізняються гідрофільність, утворюючи золі перехідного характеру. В таких випадках гідратація частинок являється фактором, який придає стабільність колоїдній системі.
Залежність коагуляції від стабілізатора.

Найбільш легко досягається коагуляція золей під дією електролітів - стабілізаторів. Додавання електроліту до іонностабілізованого колоїдного розчину приведе до зниження електрокінетичного потенціалу і відповідно до зменшення сил відштовхування. Коагуляція золей електролітами підпорядковуються закономірностям, які можна об’єднати в наступні загальні правила.

1) Усі електроліти при збільшенні їх концентрації у золі до певного значення викликають коагуляцію колоїдних систем. Мінімальна концентрація електроліту у розчині, яка викликає коагуляцію, називається порогом коагуляції.

2) Коагулюючу дію здійснює не весь електроліт, а тільки його іон, який має заряд, однойменний з зарядом противоіонів міцели.

3) Коагулююча здатність іона залежить від його заряду. Багатозарядні іони викликають коагуляцію при менших концентраціях (більш низьких порогах коагуляції, ніж іони з малим зарядом.)

4) Коагулююча здатність іонів однакової зарядності збільшується з підвищенням радіуса іона. Іони органічних з'єднань завжди мають більш високу коагулюючу здатність, ніж іони неорганічних речовин.

5) При збільшенні концентрації електроліту у розчині зменшується електрокінетичний потенціал колоїдних частинок і коагуляція наступає при його значенні - критичному потенціалі. Для більшості систем критичний потенціал 0,03 В.

Завдання для виконання самостійної роботи.

1. Основні положення теорії Дерягина.

2. Що таке коагуляція і які фактори її визивають?

3. Який іон електроліту володіє коагулюючою дією і як коагулююча дія пов’язана із зарядом іона?

4. Чи є взаємозв’язок між порогом коагуляції і коагулюючою дією електроліту?

5. Що таке критичний потенціал?

6. Як впливає концентрація електроліту на коагуляцію?

7. Яке практичне значення коагуляційних процесів?

Самостійна робота № 22
Тема: Структуроутворення, вільно- та зв’язанодисперсні системи. Практичне значення ПАР, миюча дія мила.
Стислі теоретичні відомості
Структуроутворення, вільно- та зв'язанодисперсні системи.

Всі дисперсні системи розділяють на вільнодисперсні і зв’язанодисперсні.

Вільнодисперсними називають колоїдні системи, в яких частинки знаходяться на великій відстані одна від одної і практично не взаємодіють одна з одною.

За властивостями такі колоїдні системи дуже схожі на звичайні рідини, їх в'язкість мало відрізняється від в'язкості дисперсного середовища та трохи збільшується з ростом вмісту дисперсійної фази. В'язкість колоїдного розчину зв'язана із вмістом дисперсної фази таким рівнянням:

 = ₀ ( + к)
де, - в'язкість колоїдного розчину;

₀ - в'язкість дисперсного середовища;

 - об’ємна частка дисперсної фази;

к - константа, що визначається формою частинок;

Для сферичних частинок к = 2, 5

Якщо форма частинок буде іншою - паличкоподібною або пластинчатою - то к збільшується.

Зв'язанодисперсними системами називають системи, в яких частинки зв'язані одна з одною міжмолекулярними силами і внаслідок цього не можуть взаємно рухатися. Частинки дисперсної фази в таких системах утворюють просторову структуру. В залежності від природи діючих між частинками сил відрізняють два типи структур:

1. коагуляційні;

2. конденсаційне - кристалізаційні.

Коагуляційні структури утворюються у тому випадку, коли під дією будь - яких причин агрегативна стійкість колоїдної системи знижується, але не зовсім зникає. Перехід колоїдного розчину з вільнодисперсного стану у зв'язанодисперсний називають гелеутворенням, а утворені при цьому структуровані колоїдні системи називають гелями.

Якщо колоїдні частинки повністю втрачають агрегативну стійкість, то вони будуть з'єднуватися у крупні агрегати, утворюючи густий осад - коагулят, а не рихлу структуру колоїдних частин - гель.

Гелеутворення може бути визнано додаванням електролітів, збільшенням концентрації золя, зниженням температури. Із збільшенням концентрації електроліту знижується агрегативна стійкість, збільшення часткової концентрації золя веде до зростання числа контактів між частинками, із зниженням температури знижується інтенсивність броунівського руху та стійкість просторих міцелярних структур збільшується.

Коагуляційні структури мають властивість відновлюватися після їх руйнування внаслідок будь - якої механічної дії. Ця властивість структурованих систем називають тиксотропією. Гель можливо перевести у золь, внаслідок додавання до нього електроліту – стабілізатора, цей процес називають пептизацією.

_{гелеутворення}

г

ель золь

^{пептизація}

При додаванні до гелю електроліту - пептизатора, іони його, сортируючись на частинках, відновлюють подвійний електричний шар і на кінцях частинок. Зчеплення між частинками порушається, міцелярна структура руйнується і гель перетворюється у золь.

З часом гелі починають стискатись, зменшуються в об'ємі та при цьому виділяють дисперсне середовище. Це явище називається синерезисом.

Практичне значення ПАР, миюча дія мила.

Найбільш важливою властивістю розчинів колоїдних ПАР – це їх миюча дія. Як правило, частинки які загрязняють речовину являються гідрофобнимим, т.е. не змочуються водою. Тому при високій температурі миюча дія чистої води дуже маленька. Знищення забруднення з будь-якої поверхні значно полегшується, якщо використовувати розчин колоїдних ПАР.

При контакті розчину ПАР – мила або будь-якої миючої речовини – із забруднюючою поверхнею ПАР утворює добре гідратований адсорбційний шар на гідрофобних частинках забруднень і на поверхні, яка очищується. В результаті поверхня частинок гідрофілізується, такі частинки змочуються водою, відриваються від поверхні, яка очищується і переходять в рідку фазу. При цьому концентрація молекул ПАР в розчині не змінюється, так як кількість адсорбованих молекул компенсується в розчині за рахунок розпаду міцели. Миюча дія посилюється ще і тим, що колоїдні ПАР являються піноутворювачами і частинки забруднення разом з піною легко удаляються водою.

Важливою умовою широкого використання синтетичних ПАР, як миючих засобів в побуті і промисловості являється властивість їх швидкого і повного розкладання в навколишньому середовищі ( в воді та грунті), в протилежному випадку вони можуть представляти екологічну небезпеку.

В харчовій промисловості колоїдні ПАР приміняють для збільшення пластичності шоколодних мас, тіста, косметичних препаратів. Колоїдні ПАР також використовують для флотації при збагаченні руд, для отримання піни при гасінні пожару.
Завдання для виконання самостійної роботи.

1. По якому признаку дисперсні системи поділяють на вільнодисперсні і зв’язанодисперсні?

2. Як залежить в’язкість вільнодисперсного золю від його концентрації?

3. При яких умовах можливе утворення коагуляційної структури?

4. Назвіть причини, які можуть визвати утворення гелю?

5. Чим пояснюється синерезіс гелів?

6. Що називається тіксотропією?

7. Що таке пептизація?

8. Як змінюється в’язкість структурованої рідини від концентрації?

9. Що відбудиться, якщо до концентрованого розчину мила добавити бензол?

10. Які процеси лежать в основі миючої дії?

Самостійна робота № 23
Тема: Закон Ейнштейна-Смолуховського, рівняння Шведова - Бінгама, висолювання та застуднення.

Стислі теоретичні відомості
Рівняння Шведова-Бінгама

Для характеристики витікання структурованих рідин може бути застосовано рівняння Шведова - Бінгама:

Р- =

де,  - межа текучості;

 - пластична в’язкість;

- градієнт швидкості;
За рівнянням Шведова - Бінгама залежність градієнта швидкості від потуги зсуву повинна виражатися прямою, та дійсно, багато структурованих систем добре підпорядковується, але для більшості структурованих систем залежність градієнту швидкості від потуги здвигу має більш складний характер. Це пояснюється тим, що в коагуляційній структурі можуть протікати одночасно 2 процеси: процес руйнування структури та процес ії відновлення.

При малих швидкостях витікання структура руйнується мало, а зруйновані зв’язки швидко відновлюються. У цьому випадку рідина витікає без руйнування мури і в'язкість її постійна, і достатньо велика. Це явище називається повзучістю. При дуже великих швидкостях витікання структура повністю. Її відновлення йде дуже повільно, що не має впливу на характер витікання.
Рівняння Ейнштейна-Смолуховського.

Молекулярне - кінетичні властивості колоїдних систем зумовлені тепловим рухом частинок. До таких властивостей відносяться: дифузія, осмотичний тиск, розподіл частинок по висоті (гіпосиметричне розподілення).

В колоїдних системах молекулярне - кінетичні властивості визначаються рухом частинок дисперсної фази - броунівським рухом, яке було відкрите 1827 році англійським ботаніком Робертом Броуном .

Рівняння кількісної оцінки броунівського руху:

- середній квадратичний здвиг частинки за одиницю часу;

 - час;

N_A – число Авогадро;

 - в’язкість дисперсного середовища;

r - радіус частинки дисперсної фази.

Рівняння Ейнштейна – Смолуховського неодноразово перевірялось і його правильність була доказана експериментально і підвердило реальне існування молекул.

Висолювання.

Іноді при висолюванні золей гідрофільних колоїдів типічна коагуляція з виділенням пластивців не спостерігається, а появляються рідкі краплі різного розміру. Краплі між собою зливаються утворенням суцільного шару. Відбувається розподіл золю на дві рідкі фази. Нжній шар – концентрований золь, який містить всю або практично всю дисперсну фазу. Верхній шар представляє собою чистий розчинник, або ж дуже розбавлений золь. Ці шари відокремлені один від іншого чітко вираженою поверхнею розподілу.

Описане явище отримаало назву коацервації. В’язка фаза, яка містить весь або практично весь колоїд, називається коацерватом. Процес коацервації зворотній. Явище коацервації можна спостерігати, якщо до золю желатину в ізоелектричному стані добавити резорцин або танин.

Якщо золь знаходиться в ізоелектричному стані, то при висолюванні колоїдні частинки починають зливатися своїми гідратними оболочками, у декількох частинок утворююється загальна гідратна оболочка. В результаті появляються краплі коацервата. Спочатку вони мають маленькі розміри і їх видно тільки в мікроскоп. Потім із них утворюються крупні краплини, а потім суцільний шар.

В залежності від концентрації електроліту, який додають і тривалості процесу, коацервація може закінчитися повною коагуляцією з виділенням дисперсної фази в вигляді пластивців.

Явище коацервації може виникнути і при взаємодії гідрофільних колоїдних систем між собою. В цьому випадку явище носить назву комплексної коацевації.
Застуднення.

Дисперсні частинки рухаються хаотично здійснюють тепловий рух, зіштовхуються між собою. В результаті достатнього зближення незахищеннні сольватними обололчками ліофобні участки дисперсні частинки можуть більше або менше міцно зчеплюватися між собою. При цьому утворюється рихла просторова сітка, яка захоплює весь об’єм золю.

При застудненні броунівський рух частинок із поступового руху переходить в коливальний певних участків загальної структури. Зберігається також вібрація тих участків міцели, які залишаються незакріпленими. Рідка фаза повністю імобілізується, що і приводить систему до втрати рухомості. Втрата золем текучості і служить зовнішнім признаком моментом утворення студня.

Основні умови процесу застуднення:

1. Неоднорідність поверхні дисперсних частинок по відношенню її гідратованості.

Необхідно визначити співвідношення полярних і неполярних участків. При малої відносної кількості гідрофобних участків і сильної гідратації міцел застуднення стає повільнішим. Всі добавки, які підвищують гідратацію, перешкоджають утвореню студня. З пониженням гідратації застудненя поглешується. Усилення дегідратації може призвести до злипання частинок в крупні агрегати, в результаті чого виникає коагуляція (утворюється коагель).

2. Концентрація. Для застуднення необхідна достатньо велика концентрація (дуже розбавлені золі не застуднюються).

3. Форма частинок. Форма колоїдних частинок грає велику роль в процесі застуднення. Особливо добре желатинуються золи утворені анізодіаметричними частинками (паличко- або стрічкоподібними).

Завдання для виконання самостійної роботи.

1. При якій потузі зсуву тече структурована рідина по Шведову-Бінгаму?

2. Що називають повзучістю?

3. Яким рівнянням виражаються молекулярно-кінетичні властивсоті колоїдних систем?

4. Що таке коацервація?

5. Які основні умови процесу застуднення?

6. Як впливає концентрація на процес застуднення?

7. Що таке комплексна коацервація?

Самостійна робота № 24

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Схожі:

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ Міністерству освіти і науки, молоді та спорту Автономної Республіки Крим, департаментам (управлінням) освіти і науки обласних, Київської...	МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України від 10. 06. 2011 №572 "Про Типові навчальні плани початкової школи", рішення...
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Представництво ООН в Україні за підтримки Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України проводить конкурс, присвячений важливій...	МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ Всеукраїнська акція "Моральний вчинок", ініційована Національною експертною комісією України з питань захисту суспільної моралі за...
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ Севастопольської міських державних адміністрацій на виконання листа Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України від 16....	УКАЗ Президента України Про затвердження Положення про Міністерство... Затвердити Положення про Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України (додається)
Відповідно до протоколу засідання журі конкурсу від 06. 04. 2013 року МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ ДЕПАРТАМЕНТ З ПИТАНЬ ОСВІТИ, НАУКИ, СІМ’Ї ТА МОЛОДІ ЛЬВІВСЬКОЇ ОБЛАСНОЇ ДЕРЖАВНОЇ...	МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ ГОЛОВНЕ УПРАВЛІННЯ... Міністерства освіти і науки проводиться Всеукраїнський конкурс юних зоологів і тваринників, метою якого є створення умов для творчого...
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ ДЕПАРТАМЕНТ... Львівський обласний дитячий еколого-натуралістичний центр в березні-травні 2013 року проводить природоохоронну акцію «Первоцвіти...	«Загальні і спеціальні здібності» Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Донецька обласна державна адміністрація Управління освіти і науки

Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання