Шпаргалка по "Коллоидной химии"

Для многих микроэмульсий найдены критич. точки, в к-рых исчезает граница между сосуществующими фазами. О приближении к критич. точке свидетельствует резкое повышение электрич. проводимости микроэмульсий (на 4-5 порядков), увеличение размера капель и их бесконечное агрегирование (перколяция). В рамках флуктуац. теории критических явлений радиус корреляции флуктуацииконцентрации (состава системы) связан степенной зависимостью с т-рой, кол-вом солюбилизиро-ванного в микрокапле компонента,концентрацией электролита и др.

Применение микроэмульсий обусловлено их способностью поглощать большие объемы воды или углеводородной жидкости, а также солюбилизировать в микрокаплях примеси и загрязнения. Перспективно использование микроэмульсий для повышения нефтеотдачи (коэф. извлечения нефти из пластов), поскольку системы типа MI (в избытке нефть) или МII (в избытке вода) характеризуются очень низкими значениями межфазного натяжения. Это позволит снизить расход ПАВ по сравнению с чисто водными дисперсиями ПАВ, закачиваемыми в пласт; кроме того, увеличивается подвижность нефти, облегчается ее отрыв от твердой породы, ускоряется слияние макрокапель нефти (коалесценция). Микроэмульсии обладают эффективным моющим и дезинфицирующим действием, являются удобной формой для диспергирования лек. ср-в, р-рителей и др., служат средой для проведения хим. р-ций. Микроэмульсии являются комплексы вода-липид-белок, к-рые участвуют в метаболизме жиров, липопротеинов и т. п. Микроэмульсии с перфторир. углеводородами-перспективные кровезаменители.

 

4. Вспомните вечерние  прогулки под моросящим дождем  в свете фонарей. Какой коллоидно-химический  эффект Вы наблюдали в данном  случае ? С какими свойствами коллоидных  систем он связан? Для чего  его можно использовать. Дайте  обоснованный ответ.

ЭФФЕКТ ТИНДАЛЯ (КОНУС ТИНДАЛЯ)

Тиндаля эффект - свечение оптически неоднородной среды вследствие рассеяния проходящего через нее света. Обусловлен дифракцией света на отдельных частицах или элементах структурной неоднородности среды, размер которых намного меньше длины волны рассеиваемого света. Характерен для коллоидных систем (например, гидрозолей, табачного дыма)  с низкой концентрацией частиц дисперсной фазы, имеющих показатель преломления, отличный от показателя преломления дисперсионной среды.  Обычно наблюдается в виде светлого конуса на темном фоне (конус Тиндаля) при пропускании сфокусированного светового пучка сбоку через стеклянную кюПрименение эффекта

Основанные на Тиндаля эффекте оптические методы обнаружения, определения размера, формы и концентрации коллоидных частиц и макромолекул (ультрамикроскопия, нефелометрия широко применяются в научных исследованиях и промышленной практике).

Пример. Ультрамикроскоп.

Ультрамикроскоп - оптический прибор для обнаружения мельчайших (коллоидных) частиц, размеры которых меньше предела разрешения обычных световых микроскопов. Возможность обнаружения таких частиц с помощью ультрамикроскопа обусловлена дифракцией света на них Тиндаля эффектом. При сильном боковом освещении каждая частица в ультрамикроскопе отмечается наблюдателем как яркая точка (светящееся дифракционное пятно) на темном фоне. Вследствие дифракции на мельчайших частицах очень мало света, поэтому в ультрамикроскопе применяют, как правило, сильные источники света. В зависимости от интенсивности освещения, длины световой волны, разности показателей преломления частицы и среды можно обнаружить частицы размерами от 20-50 нм и до 1-5 мкм. По дифракционным пятнам нельзя определить истинные размеры, форму и структуру частиц. Ультрамикроскоп не дает оптических изображений исследуемых объектов. Однако, используя ультрамикроскоп можно установить наличие и численную концентрацию частиц, изучить их движение, а также рассчитать средний размер частиц, если известны их весовая концентрация и плотность.

Ультрамикроскопы применяют при исследовании дисперсных систем, для контроля чистоты атмосферного воздуха. Воды, степени загрязнения оптически прозрачных сред посторонними включениями.

 

 

Билет 10.

1. Теория броуновского движения  и ее значение для естествознания

Броуновское движение открыл в 1827 г. английский ботаник Роберт Броун. Броуновское движение – это непрерывное беспорядочное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров, не затухающее во времени. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды В общих чертах явление броуновского движения можно представить следующим образом. Если частица мала, то число одновременно получаемых ею ударов со стороны молекул среды не слишком велико и возникает вероятность неравномерного распределения импульсов, получаемых частицей с разных сторон. Это обусловлено как разным количеством ударов, так и различной энергией молекул среды, сталкивающихся с частицей. В результате взвешенные в жидкости частицы приобретают поступательное, вращательное и колебательное движение. Броуновское движение совершенно хаотично, т. е. в нем наблюдается полная равноправность всех направлений.  Следовательно, броуновское движение есть случайные блуждания частиц в процессе собственного теплового движения и под влиянием теплового движения других частиц или молекул.

Для количественной характеристики броуновского движения используется средний сдвиг . Сдвиг (∆) – это изменение координаты частицы за определенный промежуток времени  ∆τ на произвольно выбранную в пространстве ось x, который связан с коэффициентом диффузии уравнением Эйнштейна-Смолуховского: , где D – коэффициент диффузии, который определяется сопротивлением, оказываемым вязкой средой движущейся в ней частице. Для сферических частиц радиуса а он равен:  D = kT/6pha, где k — Больцмана постоянная, Т — абсолютное температура, h — динамическая вязкость среды. τ – время диффузии. В качестве характеристики БД используют средний квадратичный сдвиг частиц: , где ∆1, ∆2, ∆n – отдельные проекции смещения частиц на ось х; n – число таких проекций, взятых для расчета. зависит от: температуры, вязкости среды, размера частиц. Броуновским движением пренебрегают, если размеры частиц больше 5 мкм. Теория БД подтвердила реальность существование атомов и молекул, послужила доказательством статистического характера II закона термодинамики, позволила рассчитать NA и kБ. Теория БД сыграла важную роль в обосновании статистической механики, на ней основана кинетическая теория коагуляции водных растворов. Она имеет практическое значение в метрологии, так как броуновское движение рассматривают как основной фактор, ограничивающий точность измерительных приборов. Законами броуновского движения определяется случайное движение электронов, вызывающее шумы в электрических цепях.

 

2. Уравнение двухмерного состояния вещества в адсорбционном слое. Основные типы поверхностных пленок.

Для выражения свойств двухмерного состояния вещества в адсорбционном слое применяют уравнение вида , где характеризует притяжение молекул, имеет различные значения в зависимости от природы конденсированного состояния. Для жидкорастянутых плёнок эта величина составляет 0.5 нм2. - двумерное давление, , составляет около 4 мН*м-1*нм2 . - площадь, приходящаяся на одну молекулу в адсорбционном слое.

В адсорбционном слое действуют силы как межмолекулярного отталкивания, так и межмолекулярного притяжения. Состояние пленки определяется, с одной стороны, природой веществ, а с другой стороны, концентрацией пленкообразующего вещества. Наиболее полное представление о состоянии поверхностных пленок охватывает классификация А. Адамсона. Согласно этой классификации поверхностные пленки делятся на 4 типа:

1. Газообразные пленки (G-пленки)

В таких пленках молекулы располагаются на большом расстоянии друг от друга и, соответственно, слабо взаимодействуют. Они движутся практически независимо, напоминая по свойствам молекулы газа. На изотерме двухмерного давления газообразное состояние отвечает линейному участку, параллельному оси абсцисс. Образование пленок этого типа характерно для веществ, у которых углеводородная часть содержит 12–22 атомов углерода. Они существуют при низких значениях двухмерного давления или достаточно высоких температурах. Такие пленки аналогичны поверхностным пленкам, которые образуют растворимые ПАВ при очень низкой их концентрации.

2. Жидкорастянутые пленки (LE-пленки или L2-пленки)

Они занимают промежуточное положение между газообразными и истинно жидкими пленками. Для них sм >> s0. s0 можно принять за площадь, занимаемую одной молекулой ПАВ при предельном заполнении монослоя, т. е. она равна площади поперечного сечения одной молекулы ПАВ: . У таких пленок существуют области конденсированного состояния, хотя толщина их меньше длины углеводородной части ПАВ. Такое состояние поверхности не имеет аналога в объемных фазах. Это возможно при таком расположении молекул, когда между углеводородными частями реализуется притяжение, а между полярными группами – умеренное отталкивание. Такие пленки образуют жирные кислоты с небольшой длиной углеводородной цепи и вещества с разветвленными цепями.

3. Жидкие пленки (LC-пленки  или L1-пленки)

Они характеризуются малой сжимаемостью, наличием конденсированного состояния – участков «частокола» Ленгмюра и образуются из LE-пленок при высоких значениях двухмерного давления. Их толщина равна длине углеводородной цепи молекулы ПАВ. На изотерме двухмерного давления таких пленок наблюдается резкий подъем.

Между жидким и жидкорастянутным состояниями может существовать переходная область сравнительно высокой сжимаемости, которая отвечает так называемым промежуточным пленкам, природа которых не вполне ясна.

4. Твердые пленки (S-пленки)

Их сжимаемость еще ниже, чем у LC-пленок и почти вся поверхность заполнена молекулами ПАВ в виде частокола Ленгмюра. Наиболее важные различия твердых пленок от жидких обнаруживается при сопоставлении их реологических свойств. В жидких пленках наблюдается их течение уже при малых напряжениях сдвига, а скорость сдвига линейно связана с напряжением. В противоположность, для твердых пленок характерна упругая деформация, они не текут, а при некотором значении напряжения разрушаются.

3. Как можно  определить важнейшие характеристики молекул ПАВ: площадь поперечного сечения и длину?

Для определения площади сечения и длины молекул ПАВ используется величина предельной адсорбции Гmax.

Согласно принципу независимости поверхностного натяжения Ленгмюра, предельная адсорбция Гmax одинакова для всех представителей гомологического ряда ПАВ и не зависит от длины углеводородной цепи, а определяется площадью поперечного сечения молекул. В случае предельно заполненного поверхностного слоя дифильные молекулы располагаются на поверхности согласно их гидрофильным и гидрофобным составляющим в виде частокола Ленгмюра. Поскольку в данном случае величина Гmax характеризует количество моль ПАВ, полностью занимающее единицу поверхности, то величина, обратная предельной адсорбции будет равна площади поперечного сечения 1 моль молекул:

 

Чтобы найти длину молекулы необходимо кроме площади  знать её объём:

 

Тогда длина молекулы ПАВ δ определяется как

 

где М – молярная масса ПАВ; - плотность ПАВ.

Для нахождения параметра предельной адсорбции Гmax можно воспользоваться уравнением Ленгмюра, описывающего зависимость адсорбции вещества от его концентрации в объёмной фазе раствора:

 

где Г и - полная и предельная адсорбция, с – равновесная концентрация; k – константа адсорбционного равновесия.

После приведения данного уравнения к линейному виду

 

и построения графика в координатах (c/Г) = f(c)

находят соответствующие величины Гmax и k, которые используют в расчётах параметров молекул S и в случае высокой концентрации или малой растворимости ПАВ в растворе.

 

2. Если концентрация растворимого  ПАВ небольшая, то используют  уравнение состояния поверхностного  слоя в разбавленном растворе:

где – давление, - площадь, занимаемая 1 молем ПАВ при данной степени заполнения поверхности.

С учётом поправки на собственный объём молекулы :

= 1/ГNa - площадь, занимаемая 1 молекулой  ПАВ при данной степени заполнения поверхности.

Далее строят зависимость в координатах и определяют по наклону величину

 

 

 

4.Поверхностное  натяжение сухих вин составляет 46-52 мДж/м2, что ниже поверхностного натяжения воды (72.75 мДж/м2 при 293 К). Объясните причину понижения величины σ. Как Вы думаете, какие значения должно принимать поверхностное натяжение для более крепких напитков, например, водки? Дайте обоснованный ответ.

Этиловый спирт, содержащийся в вине имеет поверхностное натяжение 22 мДж/м2, а вода обладает большим значением удельного поверхностного натяжения равным 72,7 мДж/м2. Поэтому  при добавлении спирта к воде происходит распределение молекул спирта исключительно в поверхностном слое воды, что вызывает резкое понижение поверхностного  натяжения полученного спиртового раствора. Кроме этого в вине в процессе брожения образуются различные органические вещества, которые  также снижают величину поверхностного натяжения (эфиры, альдегиды и различные органические кислоты).

Для того, чтобы рассматривать изменение поверхностного натяжения в зависимости от содержания спирта в растворах, можно воспользоваться методом наибольших давлений. По формуле Лапласа давление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно

 где - капиллярное давление, r – радиус мениска, σ – поверхностное натяжение.

Используя жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения и измеряя разность высот жидкости в манометре σ определяется как:

Если через жидкость пропускать пузырёк воздуха, то в системах с большим содержанием спирта и соответственно меньшей плотностью  избыточное давление , необходимое для отрыва пузырька воздуха будет меньше, чем для систем, близким к чистой воде. На основании данной зависимости можно предположить, что поверхностное натяжение также будет падать с ростом c(EtOH).

У раствора спирта с разбавлением водой коэффициент поверхностного натяжения увеличивается.

 

1Конденсационные методы получения лиофобных дисперсных систем.

2.Особенности адсорбции  ионов и молекул из растворов  на твердой поверхности.

3.Дайте определение реологии  как науки. Приведите полную реологическую кривую мало концентрированной дисперсной системы с анизометричными частицами и поясните ее.