Шпаргалка по "Коллоидной химии"

(коэффициент 2 учитывает  двусторонность пленки).

Так как , получаем: .

Таким образом, величина σ может рассматриваться не только как удельная поверхностная энергия, но и как сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность.

• Заметим также, что сила поверхностного натяжения Fп имеет ту же природу, что и показанная ранее равнодействующая сил, приложенных к поверхностным молекулам, но направлена не перпендикулярно поверхности, а вдоль нее (тангенциально к поверхности). Это хорошо видно из модели Дюпре. Именно такое направление силы Fп и означает стремление к уменьшению площади поверхности.

 

3. Что Вы знаете  о структурообразовании в дисперсных системах и типах дисперсных структур?

Структурообразование в дисперсных системах является результатом самопроизвольно протекающих процессов сцепления частиц, приводящих к уменьшению свободной энергии системы, например процессов коагуляции дисперсной фазы или конденсации вещества в местах контакта частиц. Развитие пространственных сеток (дисперсных структур) различных типов лежит в основе способности дисперсной системы становиться материалом с определенными механическими свойствами.

Важнейшей механической характеристикой материала является его прочность Рс (Н/м2), которая определяет способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних напряжений.

Структуры глобулярного типа. Величина Рс (Рс=χр1, где χ – число контактов; р1 – прочность контактов) обуславливается совокупностью сил сцепления частиц в местах их контакта. В зависимости от характера сил, обуславливающих сцепление частиц, контакты можно условно разделить на коагуляционные и фазовые. В коагуляционных контактах взаимодействие частиц ограничивается их соприкосновением. Для структур с коагуляционными контактами характерны невысокая прочность и механическая обратимость – способность к самопроизвольному восстановлению после механического разрушения (тиксотропия). В фазовых контактах сцепление частиц обусловлено близкодействующими силами когезии. В отличие от коагуляционных фазовые контакты разрушаются необратимо.

В зависимости от преобладающего типа контактов между частицами дисперсные структуры условно можно разделить на две основные группы: коагуляционные структуры и структуры с фазовыми контактами.

1. Коагуляционные структуры  образуются при потере дисперсной  системой агрегативной устойчивости. Коагуляционные дисперсные структуры  образуются пигментами и наполнителями  лаков, красок, полимеров. Характерным примером тиксотропных структур являются пространственные сетки, возникающие в дисперсиях глин при их коагуляции под действием электролитов.

2. Дисперсные структуры  с фазовыми контактами образуются  в самых разнообразных физико-химических условиях. Дисперсные структуры, возникающие в процессе выделения (конденсации) новой фазы из метастабильных растворов или расплавов, принято называть конденсационными. Если при этом частицы, образующие структуру, имеют ярко выраженный кристаллический характер, то такие структуры называют кристаллизационными.

Примером кристаллизационной дисперсной структуры является твердение полуводного гипса при его взаимодействии с водой:

CaSO4·1/2H2O + 1,5H2O = CaSO4·2H2O.

Примером некристаллических конденсационных дисперсных структур являются силикаты и алюмосиликаты (силикагели и алюмосиликагели, водные и обезвоженные).

4. Сравните давление  насыщенного пара над каплями  эквиконцентрированных водных растворов  уксусной и масляной кислот (радиусы  капель одинаковы). Ответ обоснуйте.

Используется уравнение Томсона (Кельвина):

- давление насыщенного пара над выпуклой сферической поверхностью радиуса r и над плоской поверхностью, Па;

σ – поверхностной натяжение, Н/м; V – молярный объем.

Поверхностное натяжение уксусной кислоты больше, чем масляной по правилу Дюкло-Траубе. Следовательно давление насыщенного пара над каплей будет больше у уксусной кислоты.

5. Изобразите формулы  двух мицелл гидрозоля С, полученного  из растворов веществ А и  В в случае избытка вещества  А или В. А: K2CrO4, B: AgNO3, C: Ag2CrO4

K2CrO4 + 2AgNO3 = Ag2CrO4 + 2KNO3

Случай избытка вещества А: {m[Ag2CrO4]nCrO42-·2(n-x)K+}2x-·2xK+

Случай избытка вещества В: {m[Ag2CrO4]nAg+(n-x)NO3-}x+·xNO3-

6. К гидрозолю AgCl, стабилизированному NaBr, добавляют а)NaNO3, б) CsNO3 , в) Al(NO3)3. Обозначьте тип каждого электролита по   отношению к данному золю. Изобразите графически изменение ζ-потенциала от концентрации каждого электролита на одном рисунке. Укажите причины различия зависимостей.

Если добавленный электролит содержит ионы большего знака, происходит ионный обмен и при наличии сильных электростатических и адсорбционных сил притяжения ионов к поверхности, может происходить изменение знака ζ-потенциала, т.е. к перезарядка частиц золя.

При добавлении неиндифферентных электролитов, содержащих ионы одинакового знака с потенциалопределяющими ионами, сначала происходит увеличение ζ-потенциала (вместе с потенциалом поверхности), а затем его уменьшение из-за сжатия диффузного слоя.

 

Билет 3

1. Седиментационный  анализ суспензий и эмульсий.

Седиментацио́нный ана́лиз — совокупность методов определения размеров частиц в дисперсных системах и молекулярной массы макромолекул в растворах полимеров по скорости седиментации в условиях седиментационно-диффузного равновесия.

Оседание частиц шарообразной формы в жидкости происходит под действием силы тяжести - веса частицы, величина которого с учётом гидростатической поправки равна:

где r- радиус частицы, D - плотность вещества частицы, d - плотность жидкости, g -ускорение силы тяжести.

Оседанию частиц противодействует сила вязкого сопротивления среды - жидкости, определяемая законом Стокса:

где r- радиус сферической частицы, η - вязкость жидкости, υ - скорость движения частицы.

Вначале, под действием постоянной силы Р частица движется равноускоренно, т.к. сила Р больше силы f. По мере увеличения скорости растет сила вязкого сопротивления среды f. К некоторому моменту времени эти силы сравниваются, вес частиц уравновешивается противоположно направленной силой f и с этого момента частица будет двигаться с постоянной скоростью (υ) .Из равенства P=f

 можно установить завис-ть  между скор оседания частицы  и радиусом

 или  , где - велич постоянная для данных условий опыта.

Cкорость седиментации определяется размером частиц, разностью плотностей частиц и среды, а также вязкостью среды. Зная скорость, можно определить радиус частиц. На этом основан седиментационный анализ размеров частиц в порошках, суспензиях, эмульсиях, различных взвесях и т. д.

 

2. Поверхностная  активность. Экспериментальное определение, изменение в гомологических рядах, работа адсорбции.

Величина , соответствующая бесконечно малой концентрации вещества c, взятая с обратным знаком и полученная при постоянных значениях температуры и давления, называется поверхностной активностью (g): .

Поверхностная активность – это мера способности вещества изменять поверхностное натяжение. Очевидно, что чем больше величина g, тем сильнее способность вещества понижать поверхностное натяжение.

Графически поверхностная активность может быть получена из изотермы поверхностного натяжения. Для этого к участку кривой, отвечающей минимальной концентрации растворенного вещества, проводится касательная до пересечения с осями.

 

Поверхностная активность равняется тангенсу угла a (т. е. отношению приращения σ к приращению с):

g = tga

Для характеристики процессов адсорбции с ориентацией адсорбирующихся молекул (например, с ориентацией дифильных молекул ПАВ на поверхности раствора) вводится понятие работы адсорбции. Работа адсорбции в этом случае – это работа, которую совершает система при обратимом изотермическом переносе полярной и неполярной частей молекулы из объема фазы на межфазную поверхность:

, где W0 – работа по переносу полярной части; ∆W – работа по переносу одной СН2-группы; n – число групп СН2.

По Ленгмюру: , где cv – равновесная концентрация в объеме.

В гомологическом ряду нормальных алифатических кислот поверхностная активность по отношению к воде резко возрастает, в среднем, в 3-3,5 раза на каждую группу –СН2.

 

3. Как влияет  температура на термодинамические  функции поверхностного слоя  в однокомпонентных жидкостях  на границе с собственным паром? Как экспериментально можно определить полную поверхностную энергию жидкости?

При постоянной температуре и давлении поверхностная энергия Гиббса определяется произведением поверхностного натяжения (фактор интенсивности) s на площадь поверхности (фактор емкости) s: GS=σs

Плотность поверхности зависит от ее кривизны и дисперсности фаз. Дисперсность D линейно связана с удельной поверхностью Sуд:

где – V – объем дисперсной фазы, мл; k – коэффициент формы частиц; d-диаметр частицы, м2.

Поверхностное натяжение можно представить как энергию переноса молекул из объема тела на поверхность или как работу образования единицы поверхности. Поверхностное натяжение можно выразить частной производной от энергии Гиббса по величине межфазной поверхности при p и T=const (при постоянных числах молей компонентов):

(8)

Поверхностное натяжение жидкости, как и другие ее свойства, связанные с тепловым движением молекул, зависит от температуры. В самом деле, с повышением температуры увеличивается интенсивность теплового движения молекул, вследствие чего межмолекулярные силы ослабевают, и поверхностное натяжение падает. Поэтому температурный коэффициент чистой жидкости (p = const) всегда отрицателен. В области температур, далеких от критической, и, главным образом, для неассоциированных жидкостей σ изменяется с температурой линейно, и . У. Рамзай и П. Шильс для зависимости поверхностного натяжения от температуры приводят эмпирическое уравнение

, (1.11)

где К и а – постоянные величины, зависящие от природы жидкости; Ткр – критическая температура; Т – температура опыта.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что при приближении температуры к Ткр наблюдаются отклонения от линейной зависимости s от Т.

Рассмотрим опыт Дюпре:

На проволочной рамке образуем мыльную пленку. Нижняя сторона рамки – подвижная и, если ничем не нагружена, поднимается вверх из-за стремления пленки сократиться, т. е. На рамку действует сила поверхностного натяжения Fп. Эту силу можно уравновесить грузиком весом Р = Fп. При увеличении веса груза на бесконечно малую величину происходит перемещение подвижной стороны рамки на dh Груз при этом совершает работу против силы Fп: .

Одновременно из-за увеличения поверхности пленки возрастает поверхностная энергия: (коэффициент 2 учитывает двусторонность пленки).

Так как , получаем: .

Таким образом, величина σ может рассматриваться не только как удельная поверхностная энергия, но и как сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность.

4. Почему бумага впитывает воду, а плащевая ткань не промокает? Какое коллоидно-химическое явление  лежит в основе этих процессов? Охарактеризуйте его.

В состав плащевая ткани может может входить иметь полиэфир, хлопок, полиамид, вискоза. Содержание хлопка или вискозы приближает ее по гигиеническим показателям к натуральным тканям, сохраняя при этом лучшие свойства синтетики.

В процессе отварки в волокне протекают следующие химические процессы.

Пектиновые вещества под действием щелочи при высокой температуре гидролизуются с образованием водорастворимых продуктов (пентозы, гексозы и др.)

Белковые соединения в щелочной среде гидролизуются, а образующиеся натриевые соли аминокислот не только способны переходить в раствор, но и являются хорошими эмульгаторами, способствующими интенсивному удалению воскообразных веществ и других загрязнений с поверхности волокна.

Воскообразные примеси, представляющие собой сложные эфиры высших кислот с жирными спиртами, частично гидролизуются под действием щелочи:

Выделяющиеся при этом,  хотя и в незначительном количестве, жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая) под влиянием щелочи образуют натриевые соли – мыла, обладающие высокой поверхностной активностью, хорошей растворимостью в воде и высокой эмульгирующей способностью. Такие вещества называют поверхностно-активными (ПАВ), поскольку они способны снижать поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз «варочная жидкость – воскообразные частицы». Молекулы ПАВ своими гидрофобными концами вступают в контакт с воскообразными примесями и полярными гидрофильными группами ориентируются в сторону варочного раствора. При этом расплавленная  капля воска стягивается по периметру, превращаясь в шарообразную микрокаплю, удерживаемую поверхностью волокна в одной точке как это показано на рис.1.

волокно

Рис.1. Механизм эмульгирования воскообразных примесей

Эмульгированные поверхностно-активными веществами воскообразные частицы отрываются от поверхности волокна и переходят в раствор, образуя устойчивую эмульсионную систему. Путем омыления жировых веществ удаляется около 40% воскообразных примесей, остальные выводят из волокна введением в варочную жидкость дополнительного количества ПАВ. Последние должны обладать не только поверхностно-активными свойствами, но и высокой эмульгирующей способностью, то есть не вызывать слипания частиц и расслаивания эмульсии. ПАВ должны биологически расщепляться в сточных водах, обладать устойчивостью к действию высоких температур и быть сравнительно недорогими.