ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Дисперсни системи- образувания, състоящи се от две или повече фази, които практически не се смесват и не реагират помежду си. Вещество, което е фино разпределено в друго вещество (дисперсионна среда) се нарича дисперсна фаза.
Съществува класификация на дисперсните системи според размера на частиците на дисперсната фаза. Изолат, молекулярно-йонен (< 1 нм) – глюкоза, сахароза, коллоидные (1-100 нм) – эмульсии (масло) и суспензии (раствор глины) и грубодисперсные (>100 nm) системи.
Има хомогенни и хетерогенни дисперсни системи. Хомогенните системи иначе се наричат истински решения.
Решения
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Решение- хомогенна система, състояща се от два или повече компонента.
Според агрегатното състояние разтворите се делят на газообразни (въздух), течни, твърди (сплави). В течните разтвори съществува концепцията за разтворител и разтворено вещество. В повечето случаи разтворителят е вода, но може да бъде и неводни разтворители (етанол, хексан, хлороформ).
Методи за изразяване на концентрацията на разтворите
За да изразите концентрацията на разтворите, използвайте: масова част на разтвореното вещество (, %), което показва колко грама разтворено вещество се съдържа в 100 g разтвор.
Моларна концентрация (C M, mol/l)показва колко мола разтворено вещество се съдържат в един литър разтвор. Разтворите с концентрация 0,1 mol / l се наричат децимоларни, 0,01 mol / l - сантимоларни, а с концентрация 0,001 mol / l - милимоларни.
Нормална концентрация (C H, mol-eq / l)показва броя на еквивалентите на разтворено вещество в един литър разтвор.
Моларна концентрация (С m, mol / 1 kg H 2 O)е броят на моловете разтворено вещество на 1 kg разтворител, т.е. на 1000 г вода.
Молна фракция на разтвореното вещество (N)е съотношението на броя на моловете разтворено вещество към броя на моловете на разтвора. За газови разтвори молната част на веществото съвпада с обемната ( φ ).
Разтворимост
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Разтворимост(s, g / 100 g H 2 O) - свойството на веществото да се разтваря във вода или друг разтворител.
По разтворимост разтворите и веществата се разделят на 3 групи: силно разтворими (захар), слабо разтворими (бензол, гипс) и практически неразтворими (стъкло, злато, сребро). Във водата няма абсолютно неразтворими вещества, няма инструменти, с които е възможно да се изчисли количеството на разтвореното вещество. Разтворимостта зависи от температурата (фиг. 1), естеството на веществото и налягането (за газовете). С повишаване на температурата разтворимостта на веществото се увеличава.
Ориз. 1. Пример за зависимостта на някои соли във водата от температурата
Концепцията за наситен разтвор е тясно свързана с концепцията за разтворимост, тъй като разтворимостта характеризира масата на разтвореното вещество в наситен разтвор. Докато веществото е в състояние да се разтваря, разтворът се нарича ненаситен, ако веществото престане да се разтваря, то се нарича наситен; за известно време можете да създадете пренаситен разтвор.
Налягане на парите на разтворите
За пара, която е в равновесие с течност, се казва, че е наситена. При дадена температура налягането на наситените пари върху всяка течност е постоянна стойност. Следователно всяка течност има налягане на насищане на парите. Помислете за това явление, като използвате следния пример: разтвор на неелектролит (захароза) във вода - молекулите на захарозата са много по-големи от молекулите на водата. Налягането на наситените пари в разтвор създава разтворител. Ако сравним налягането на разтворителя и налягането на разтворителя над разтвора при същата температура, тогава в разтвора броят на молекулите, които са преминали в пара над разтвора, е по-малък, отколкото в самия разтвор. От това следва, че налягането на наситените пари на разтворител над разтвор винаги е по-ниско, отколкото върху чист разтворител при същата температура.
Ако обозначим налягането на наситената пара на разтворителя над чистия разтворител p 0 и над разтвора - p, тогава относителното намаляване на налягането на парите над разтвора ще бъде (p 0 -p) / p 0.
Въз основа на това Ф.М. Раул извежда закона: относителното намаляване на наситената пара на разтворителя над разтвора е равно на молната част на разтвореното вещество: (p 0 -p) / p 0 = N (моларна фракция на разтвореното вещество).
Криоскопия. Ебулиоскопия. Вторият закон на Раул
Понятията за криоскопия и ебулиоскопия са тясно свързани съответно с точките на замръзване и кипене на разтворите. По този начин точката на кипене и кристализацията на разтворите зависят от налягането на парите над разтвора. Всяка течност кипи при температурата, при която налягането на наситените й пари достига външното (атмосферно) налягане.
При замръзване кристализацията започва при температура, при която налягането на наситените пари върху течната фаза е равно на налягането на наситените пари върху твърдата фаза. Оттук - вторият закон на Раул: намаляването на температурата на кристализация и повишаването на точката на кипене на разтвора са пропорционални на концентрациите на разтвореното вещество. Математическият израз на този закон е:
Δ T crist \u003d K × C m,
Δ T бала \u003d E × C m,
където K и E са криоскопични и ебулиоскопични константи, в зависимост от естеството на разтворителя.
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
| Упражнение | Колко вода и 80% разтвор оцетна киселинатрябва да се вземат за получаване на 200 g 8% разтвор? |
| Решение |
Нека масата на 80% разтвор на оцетна киселина е x g. Намерете масата на разтвореното в него вещество: m r.v-va (CH 3 COOH) \u003d m p-ra × / 100% m r.v-va (CH 3 COOH) 1 \u003d x × 0,8 (g) Намерете масата на разтвореното вещество в разтвор на 8% оцетна киселина: m r.v-va (CH 3 COOH) 2 \u003d 200 (g) × 0,08 = 16 (g) m r.v-va (CH 3 COOH) 2 \u003d x × 0,8 (g) = 16 (g) Нека намерим x: x \u003d 16 / 0,8 = 20 Масата на 80% разтвор на оцетна киселина е 20 (g). Намерете необходимото количество вода: m (H 2 O) \u003d m r-ra2 - m r-ra1 m (H 2 O) = 200 (g) - 20 (g) \u003d 180 (g) |
| Отговор | m разтвор (CH3COOH) 80% = 20 (g), m (H2O) = 180 (g) |
ПРИМЕР 2
| Упражнение | Смесват се 200 g вода и 50 g натриев хидроксид. Определете масовата част на натриевия хидроксид в разтвора. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Решение | Записваме формулата за намиране на масовата част:
Намерете масата на разтвора на натриев хидроксид: m разтвор (NaOH) \u003d m (H 2 O) + m (NaOH) m разтвор (NaOH) = 200 +50 = 250 (g) Намерете масовата част на натриевия хидроксид. .§ 14. ДИСПЕРСИВНИ СИСТЕМИ В природата се срещат чисти веществаРядко. Смеси от различни вещества в различни агрегатисъстояния могат да образуват хетерогенни и хомогенни системи – дисперсни системи и решения.
Веществото (или няколко вещества), коетоприсъстват в дисперсната система в по-малко количествокачествени и разпределени по обем, т.нарразпръснете сефаза
. По-настоящевещество, в което се разпределя дисперсиятафаза се нарича дисперсионна среда
. Междудисперсионна среда и частици от дисперсната фазаима интерфейс, поради което се наричат дисперсни системи хетерогенен, т.е. хетерогенен. Класификация на дисперсните системи
Според размера на частиците на веществото, изграждащи дисперсната фаза, дисперсните системи се разделят на грубо дисперсни с размери на частиците над 100 nm и фино дисперсни с размери на частиците от 1 до 100 nm. Ако веществото се фрагментира на молекули или йони с размер по-малък от 1 nm, се образува хомогенна система - разтвор. Разтворът е хомогенен, няма интерфейс между частиците и средата и следователно не се прилага за дисперсни системи. Познаването на дисперсните системи и решения показва колко важни са те в ежедневието и природата. Преценете сами: без тиня на Нил нямаше да се случи велика цивилизацияДревен Египет (фиг. 15); без вода, въздух, скали, минерали изобщо не би съществувала жива планета – нашият общ дом – Земята; Без клетки нямаше да има живи организми. Ориз. 15. Наводненията на Нил и историята на цивилизацията
груби системи.
Грубодисперсните системи са разделени на три групи: емулсии, суспензии и аерозоли. емулсииса дисперсни системи с течна дисперсионна среда и течна дисперсна фаза.
Ориз. 16. Примери за груби системи с твърдо вещество Дисперсна фаза: а - суспензия - хоросан; Колоидните системи се делят на сол (колоиден
решения) и гелове (желета).
С течение на времето структурата на геловете се нарушава - от тях се отделя течност. Появява се синерезис - спонтанно намаляване на обема на гела, придружено от отделяне на течността. Syneresis определя срока на годност на хранителните, медицинските и козметичните гелове. Биологичният синерезис е много важен при приготвянето на сирене, извара. Топлокръвните животни имат процес, наречен коагулация на кръвта: под въздействието на специфични фактори, разтворимият кръвен протеин фибриноген се превръща във фибрин, чийто съсирек се сгъстява по време на синереза и запушва раната. Ако съсирването на кръвта е трудно, тогава те говорят за възможността за човешко заболяване с хемофилия. Както знаете от курса по биология, жените са носители на гена за хемофилия, а мъжете се разболяват от него. Исторически династичен пример е добре известен: руската династия Романови, която царува повече от 300 години, страда от това заболяване.
Ориз. 17. Ефектът на Тиндал ви позволява да различавате визуално
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Дисперсионна среда |
Дисперсна фаза |
Примери за дисперсни системи |
|
рубинено стъкло; пигментирани влакна; сплави; модел върху тъканта, нанесен чрез пигментен печат |
||
|
Перли, вода в гранит, вода в бетон, остатъчен мономер в полимер-мономерни частици |
||
|
газообразен |
Газови включвания в различни твърди вещества: пенобетон, замръзнала пяна, пемза, вулканична лава, полимерна пяна, полиуретанова пяна |
|
|
Суспензии, бои, пасти, золи, латекси |
||
|
Емулсии: мляко, масло, масло, маргарин, фибри лубриканти |
||
|
газообразен |
Пяни, включително за пожарогасене и пяна технологии за омасляване на влакна, избелване и оцветяване на текстилни материали |
|
|
газообразен |
Дим, космически прах, аерозоли |
|
|
газообразен |
Мъгли, газове по време на втечняване |
|
|
газообразен |
газообразен |
Колоидната система не се образува |
Колоидните системи са необичайно лабилни; нестабилен. За много от тях добавянето на малко количество електролит е достатъчно, за да предизвика утаяване. Причината за такава лека промяна в състоянието на колоидни системи е свързана с променливостта на степента им на дисперсия. Има два вида стабилност на всяка фрагментирана система – кинетична и агрегативна.
таблица 2
Примери за свободно дисперсни системи
|
1. Дисперсни системи в газове |
2. Дисперсни системи в течности |
|
Колоидна дисперсия T 1 /G 2 - прах в горните слоеве на атмосферата, аерозоли. |
Колоидна дисперсия T 1 /W 2 - лиозоли, диспергирани багрила във вода, латекси от синтетични полимери. |
|
Груба дисперсност |
Груба дисперсност |
|
T 1 / G 2 - дим W 1 / G 2 - мъгли |
T 1 / W 2 - суспензии W 1 / W 2 - течни емулсии G 1 / W 2 - газови емулсии |
|
3. Дисперсни системи в твърди тела |
|
|
T 1 /T 2 - твърди золи, например златен сол в стъкло, пигментирани влакна, пълни полимери |
|
Тази класификация се основава на състоянието на агрегация на фазите на дисперсна система.
Концепцията за агрегатна стабилност, която е въведена за първи път от Н.П. Песков, предполага липса на агрегиране, т.е. намаляване на степента на дисперсия на колоидна система по време на съхранение. За определяне на кинетичната стабилност е необходимо да се проучат условията за освобождаване на диспергирани частици в гравитационно или центробежно поле. Скоростта на такова освобождаване зависи от интензивността на Брауновото движение на частиците, т.е. върху степента на дисперсност на системата и разликата в плътността на дисперсионната среда и дисперсната фаза, както и върху вискозитета на средата.
Таблица 3
Свързани дисперсни системи
Ако искат да определят агрегатната стабилност на системата, тогава те изучават условията за постоянство (или обратно - непостоянство) на степента на дисперсия на системата. Една от най-резките и характерни разлики между колоидна система, както от истински разтвор, така и от грубо диспергирани системи, е, че тяхната степен на дисперсия е изключително променлива стойност и може да варира в зависимост от различни причини.
Тази класификация се основава на състоянието на агрегиране на фазовия интерфейс.
Въз основа на горното ще дадем определение за колоидни системи.
Колоидните системи се наричат дву- или многофазни системи, при които едната фаза е под формата на отделни малки частици, разпределени в друга фаза. Такива ултрамикрохетерогенни системи с определена (колоидна) дисперсност проявяват способност за интензивно броуново движение и имат висока кинетична стабилност.
Имайки силно развит фазов интерфейс и следователно огромен излишък от свободна повърхностна енергия, тези системи са фундаментално термодинамично нестабилни, което се изразява в агрегация на частици, т.е. при липса на стабилност на агрегата. Тези свойства обаче не изчерпват всички характеристики, които отличават колоидните системи от другите системи. Така например, на пръв поглед изглежда неразбираемо защо колоидни частици, извършващи енергични движения и сблъскващи се помежду си, не винаги се слепват в по-големи агрегати и не се утаяват, както може да се очаква въз основа на втория закон на термодинамиката , тъй като в този случай общата повърхност ще намалее, а с нея и свободната енергия.
Оказва се, че в много случаи стабилността на такива системи е свързана с наличието на стабилизиращ слой върху повърхността на колоидни частици. По този начин необходимо условие за създаването на стабилни колоидни системи е наличието на трети компонент - стабилизатор. Стабилизаторите на колоидни системи могат да бъдат електролити или някои други вещества, които нямат електролитна природа, като макромолекулни съединения (HMC) или повърхностно активни вещества (повърхностно активни вещества). Механизмът на стабилизиране от електролити и неелектролити е значително различен.
Ефектът на електролитите върху стабилността на колоидни системи е сложен. В някои случаи незначителното добавяне на електролит може да доведе до нарушаване на стабилността на системата. При други въвеждането на електролит допринася за повишаване на стабилността.
Образуването на адсорбционни слоеве от стабилизатори като повърхностно активни вещества става особено голямо значениепри наличие на двуизмерни структури с подобрени структурни и механични свойства. В много случаи стабилизацията се постига, когато само 40-60% от повърхността на колоидни частици е покрита с монослой, когато защитният слой има прекъснат характер (под формата на островчета). Максимална стабилност се постига, разбира се, с образуването на напълно наситен мономолекулен слой. Структурните и механичните свойства на адсорбционните слоеве до голяма степен определят поведението на колоидни системи. Тези слоеве могат да се образуват или променят от малки количества от всякакви разтворени вещества, следователно е възможно да се контролират редица свойства на колоидни системи, което се използва широко в различни практически приложения.
Колоидните системи, състоящи се от частици от диспергирана субстанция, които могат да се движат свободно в течна дисперсионна среда заедно с адсорбирани на повърхността им молекули или йони на третия компонент (стабилизатор), се наричат лиозоли, а самите частици, които имат сложна структура, са наречени мицели.
Според естеството на взаимодействието на колоидни частици с дисперсионната среда, лиозолите могат да бъдат разделени на лиофилни и лиофобни. Тази класификация е предложена за първи път от немския колоиден учен Фрайндлих. Той раздели всички системи на два класа - лиофилни и лиофобни. В съответствие с идеите, разработени от Фройндлих, системите се наричат лиофобни, частиците на дисперсната фаза на които не взаимодействат с дисперсионната среда, не солватират и не се разтварят в нея. Лиофилните системи са системи, чиито частици от дисперсната фаза взаимодействат интензивно с дисперсионната среда.
Лиофобните системи включват золи на благородни метали, золи на металоиди (сяра, селен, телур), дисперсии на полимери във вода (например полистирол, флуоролон), золи на арсен, антимон, кадмий, живачни сулфиди, золи на алуминиеви железни хидроксиди, , и т.н. Тези системи се характеризират с така наречената кинетична стабилност и агрегативна нестабилност и изискват стабилизация. Freundlich назовава лиофилните колоидни системи разтворите, образувани от разтварянето на естествени или синтетични спирали. Това са разтвори на протеини, нишесте, пектини, смоли, целулозни етери и различни смоли, както естествени, така и синтетични.
По този начин разтворите на IUD преди са били разглеждани като лиофилни колоидни системи. Те се считат за двуфазни диспергирани системи и по този начин същността на класификацията на Фройндлих се свежда до молекулярни взаимодействия между дисперсната фаза и дисперсионната среда. На тази основа е извършено разделянето на лиофилни и лиофобни системи. Лиофилните системи се считат за дву- или многофазни, термодинамично нестабилни, които не се подчиняват на фазовото правило на Гибс. Но тази гледна точка се оказа погрешна. Всъщност сега е надеждно установено, че разтворите на IUD са истински решения, т.е. еднофазни системи, хомогенни, термодинамично стабилни и подчиняващи се на фазовото правило на Гибс. Смятало се е, че обратимостта е характерно свойстволиофилни колоидни системи, но това не е така, тъй като в този случай разтворите на IUD не са диспергирани системи.
В тази връзка академик V.A. Още през 1948 г. Каргин обърна внимание на факта, че класификацията на Фройндлих е напълно погрешна и освен това вредна.
За да не променя значението на тези термини, П.А. Ребиндер предложи да се формулират концепциите за лиофилни и лиофобни колоидни системи. Той раздели дисперсните много- или двуфазни системи на два класа, въз основа на стойността на специфичната повърхностна енергия (повърхностно напрежение).
Лиофобните системи включват дисперсни системи с достатъчно високо повърхностно напрежение (s 12), по-голямо от определена гранична стойност s m:
s 12 > s m . (един)
Тези системи се характеризират с голяма междинна свободна енергия, така че фазовата граница е ясно изразена: системата е агрегатно нестабилна и изисква въвеждане на стабилизатор. Разпръскването на такива системи е произволно.
Лиофилните системи са двуфазни колоидни системи с ниска, макар и положителна, повърхностна свободна енергия, по-малка или равна на граничната стойност,
s 12 ≤ s m . (2)
Това са системи с много ниска межфазна енергия, те са термодинамично стабилни и се образуват спонтанно. Тяхната дисперсност е доста определена и е в колоидна област.
Фактът, че дисперсните системи се класифицират според свободната повърхностна енергия, показва, че колоидни явления са тясно свързани със свойствата на интерфейса.
Лиофилните системи включват:
1) така наречените критични емулсии, образувани в резултат на намаляване на повърхностното напрежение при нагряване до температура, близка до температурата на неограничено смесване, или в резултат на добавяне на много големи количества повърхностноактивни вещества;
2) асоциативни колоидни системи, образувани във водна среда от вещества като сапуни, някои багрила и дъбилни агенти, а в неводна среда от някои повърхностно активни вещества. Такива вещества в разредени разтвори са в молекулярно състояние, с увеличаване на концентрацията настъпва агрегиране на молекули с образуване на частици с колоиден размер, т.е. се образуват мицели. Концентрацията на вещество в разтвор, при която настъпва преходът от истински разтвор към колоиден, обикновено се нарича критична концентрация на мицела (CMC).
Класификацията на дисперсните системи може да се извърши според специфичната повърхност и порьозността на дисперсната фаза.
При тези процеси, в които участват две съседни фази, свойствата на интерфейса или на граничния слой, разделящ една фаза от друга, са от голямо значение. Молекулите, които изграждат такива слоеве, имат специални свойства. Ако разгледаме монолитна фаза, тогава броят на молекулите, които образуват повърхностния слой, може да бъде пренебрегнат в сравнение с огромния брой молекули в по-голямата част от тялото. Можем да приемем, че енергийният резерв на системата е пропорционален на масата, съдържаща се в обема на тялото.
При смилане на твърдо тяло броят на молекулите в повърхностния слой се увеличава и достига максималната си стойност в колоидно-дисперсните системи. Следователно процесите, протичащи в дисперсните системи, се дължат на свойствата повърхностни слоевена границата. Образуването на пяни, емулсии, мъгли, флотация, процеси на овлажняване и диспергиране, сорбционни техники и много други се основават на свойствата на междинните повърхности в дисперсните системи.
Специфичната повърхност е съотношението на повърхността на тялото към неговия обем или маса:
A beats = A / V или A beats = A / Vr, (3)
където А бие, А - съответно специфична и обща повърхност; r е плътността на веществото, V е обемът на тялото.
За кубични частици
И бие \u003d 6a 2 / a 3 \u003d 6a -1
И бие \u003d 6a 2 /a 3 r \u003d 6 / ar (m 2 / kg). (4)
За сферични частици
И бие \u003d 4 r 2 / (4/3 r 3) (m -1),
И удари \u003d 3 / r (m -1),
И бие \u003d 3 / rr (m 2 / kg). (5)
Ако вземем куб от материя, разделим трите му страни на 10 части и начертаем равнини в три посоки, получаваме по-малки кубчета. Такъв процес може да се разглежда като симулация на процеса на дисперсия. Изменението на специфичната повърхност по време на процеса на диспергиране е показано в табл. 4.
Таблица 4
Зависимост на специфичната повърхност от дисперсията
Влакната, нишките и филмите играят важна роля в текстилните колоидни системи. Специфичната повърхност на такива системи може да се изчисли по формулите:
за филм
A бие \u003d 2l 2 / l 2 a \u003d 2 / a, (6)
където a е дебелината на филма, l е неговата ширина и дължина;
за цилиндър (влакна, нишки)
И бие \u003d 2lr / r 2 l \u003d 2 / r, (7)
където r е радиусът на цилиндъра, l е неговата дължина.
Свързани дисперсни системи - порести тела - заедно с външните специфична повърхностможе да се характеризира с размера (радиуса) на порите, техния обем и вътрешна специфична повърхност. Удобна класификация на порите по размер е предложена от M.M. Дубинин. В съответствие с тази класификация всички порести тела могат да бъдат разделени на три класа (в зависимост от адсорбционните свойства): микропорести тела с радиус на порите 2 10 -9 m, мезопорести (преходно порести) - (2/50) 10 -9 m , макропореста 50 10 -9 m.
микропорести тела в последните временаразделени на ултра- и супермикропори. Такава класификация много приблизително отразява целия спектър от възможни размери на порите (от макропори през мезопори и микропори до субатомни "пори" под формата на пролуки между макрокристали в полимери или точкови дефекти в кристали). В тази връзка трябва да се отбележи, че всяка класификация не може да обхване напълно цялото разнообразие от дисперсни системи, които съществуват в природата и технологичната практика.
Структурообразуване в дисперсни системи и в полимерни разтвори.
С увеличаване на концентрацията на дисперсната фаза в дисперсните системи (или концентрацията на разтворени полимери) е възможно образуването на такива агрегати от частици (или спътници на макромолекули), които карат потока на такива системи да се отклонява от законите на Нютон и Поазой. Такива течности се наричат необичайно вискозни, а концентрацията, при която настъпва качествена промяна в свойствата на системата, се нарича критична концентрация на образуване на структура. При достигане на критичната концентрация на дисперсната фаза в дисперсната система от взаимодействащи частици спонтанно възниква пространствена структура.
Образуването на силна структура, наречена кристална, води до директен контакт между частиците, т.е. такъв контакт, при който фазовата граница между частиците изчезва. Този процес се наблюдава при образуването на дисперсна система чрез кондензация, когато отделни кристали се сливат: по време на втвърдяването на бетона, по време на образуването на хартиена лента или нетъкан материал, образуване на пространствени мрежи при полимеризация и др. Взаимодействието на частиците през тънък междинен слой на течната фаза води до образуване на коагулационни контакти. След унищожаване тези контакти се възстановяват обратимо. Това свойство се нарича "тиксотропия". Такива контакти са възможни в пигментни пасти, в керамични маси, в полимерни разтвори и дисперсии. Способността за обратимо възстановяване на структурата след отстраняване на натоварването е в основата на действието на оразмеряващи агенти и сгъстители в печатарските мастила при оцветяване на текстилни материали, както и залепване на влакна с латекс при получаване на нетъкани материали, поддържане на формата на керамични продукти , задържане на лакове, бои и емайли върху вертикални стени и др.
Коагулационните структури се характеризират с относително ниски енергии на взаимодействие и в повечето случаи възникват с частично намаляване на стабилността на дисперсните системи. В такива структури средното разстояние между частиците съответства на равновесната дебелина на течните филми и се характеризира с първия или втория минимум на кривите на потенциалната енергия на двойното взаимодействие на частиците.
В съответствие с метода на образуване на коагулационни структури, частиците могат да бъдат разположени на разстояния H 1 » 10 -9 m или H 2 » 10 -7 m.
Енергията на взаимодействие в първия потенциален минимум е с два порядъка по-висока от енергията на взаимодействие във втория потенциален минимум (потенциален кладенец). На практика по-често се среща образуването на структура с фиксиране на частици във втория потенциален минимум.
Обемната част на дисперсната фаза, при която се образува коагулационна структура, зависи от формата на частиците. Асиметричните частици могат да образуват структура при много по-ниска концентрация от сферичните. Асиметричната форма на частиците е характерна за железните и алуминиеви хидроксиди, глината и някои пигменти. Силата на конструкцията се характеризира с напрежението, необходимо за разрушаване на пространствената структура.
Структурираните течности не се подчиняват на законите на потока на Нютон и Поазой. Има два вида структурирана течност: течна и твърдоподобна структура.
Течностите с течноподобна структура се характеризират с реологични криви на потока, които нямат критично напрежение на срязване и има две линейни секции на псевдо-нютонов поток.
Твърдите структури трябва да бъдат унищожени, преди потокът да започне. С други думи, такава структура преди разрушаването има свойствата на твърдо тяло.
Областта на колоидна химия, която се занимава с изследване на закономерностите на образуване и разрушаване на структури в дисперсни системи и в полимерни разтвори, се нарича "реология". В реологията те оперират с такива понятия като деформация, т.е. относително изместване на част от системата без нарушаване на нейната цялост. Деформацията може да бъде еластична и остатъчна. При еластична деформация формата на тялото се възстановява след отстраняване на напрежението.
На фиг. 2.30 е показана диаграма на равномерно изместване на куб с дължина на ръба l, условно избран от изследваната система, под действието на напрежението на срязване P. Мярката на изместването е отношението на изместването x към първоначалната дължина на ръбът на куба l, т.е. височината, на която се случва изместването
x / l = tga = g , (2.4.52)
където a е ъгълът на отместване на конструктивния елемент.
Мярката за скоростта на деформация е градиента на скоростта на изместване:
Реологията оперира с три идеализирани зависимости между P и g (или), за да опише три структурни свойства (еластичност, вискозитет и пластичност) и използва комбинации от тези зависимости, за да опише по-сложни процеси, протичащи в структурирани дисперсни системи.
Еластична деформация (или еластичност) е пропорционална на напрежението на срязване:
където E е модулът на Янг.
Уравнението (2.4.54) се нарича закон на Хук. Зависимостта, която се описва с уравнение (2.4.54) за идеално еластично тяло, е показана на фиг. 2.31 а. Физическият модел на идеалното еластично тяло на Хук обикновено се изобразява под формата на спирална пружина, фиксирана в единия край и опъната в другия.
Мярката за еластичност е модулът на Йънг, дефиниран като ctga на зависимостта, показана на фиг. 2.31 а. Тази зависимост за идеално тяло е линейна. Физическият смисъл на еластичната деформация се крие в промяната на междуатомните разстояния, когато се създава напрежение и тялото има тенденция да върне атомите в първоначалното им равновесно състояние, характеризиращо се с минимум свободна енергия. В това отношение идеалното еластично тяло възстановява формата и размерите си почти мигновено след премахване на напрежението. За възстановяване на първоначалните размери и форма в реални еластични тела е необходимо известно незначително време.
Вискозен поток се описва с уравнението на Нютон (2.4.1, а) във формата. Диаграмата на модела на вискозния поток и зависимостта от напрежението на градиента на скоростта на изместване са показани на фиг. 2.31b. Вискозитетът на течността се определя като ctgb. Като механичен модел на идеална вискозна нютонова течност в цилиндъра има бутало, между което е възможно преливане.
Физическият модел на вискозния поток е свързан с термично активиран процес на пренареждане на взаимодействащите
други молекули. Естествено, под действието на стрес някои връзки между течните молекули се разрушават, а други се образуват отново. В една наистина вискозна нютонова течност коефициентът на вискозитет остава постоянен от много малки натоварвания до напрежения, при които ламинарният поток става турбулентен. В редица случаи при изследване на вискозния поток се използва стойност, обратна на вискозитета, която се нарича течливост.
Пластичността или пластичният поток не е линейна функция на напрежението. Като модел на пластична деформация се използва твърдо тяло, лежащо върху равнина (фиг. 2.31, в) и задържано на място от силите на сухо триене до определено напрежение, което може да преодолее това сухо (кулоново) триене. Такъв поток е възможен например в пигментните пасти, когато има последователно разрушаване-възстановяване на контактите между частиците, които са фиксирани в пространството чрез определен междинен слой от течната фаза. В случай, че при директен контакт между частиците в системата се образува кристална структура, потокът ще започне едва след необратимото разрушаване на такива контакти, а критичното напрежение ще съответства на тяхната здравина.
Разбира се, в практическото приложение на структурообразуването
и разрушаване (например, когато структурата се разрушава в сгъстени с полимер печатарски мастила по време на смесване и в процеса на нанасянето й върху тъканта и когато структурата се възстановява по модела, който се нанася върху тъканта, или когато полимерен разтвор - препарат за оразмеряване - нанася се върху нишките), те могат едновременно да се покажат и различни видоведеформации: еластична деформация, след това вискозен или пластичен поток и последващо структуриране.
Ако в системата външното напрежение се изразходва за преодоляване на еластичната деформация и вискозния поток, тогава се използва моделът, предложен от Максуел, от последователно свързаните елементи на моделите на Хук и Нютон (фиг. 2.32, а). В такива системи типичната проява на релаксация на напрежението се описва с уравнението
P 0 (t) = P 0 exp(t/t p), (2.4.55)
където P 0 \u003d E 0 g 0 - първоначално напрежение; t p \u003d h / E - време за релаксация.
За t >t p моделът на Максуел съответства на поток, подобен на течност. Феноменът на релаксация се дължи на факта, че е необходимо определено време за преструктуриране на структурата при относително ниско напрежение. Следователно, при краткосрочно (моментално) прилагане на напрежение, в системата възникват постепенно намаляващи вътрешни напрежения. Възможно е премахването на вътрешното напрежение да се осъществи при t®¥. Описаната от модела на Максуел течност се характеризира с необратима деформация.
По този начин свойствата на системата (твърда или течна) зависят от времето на релаксация, определено от пресечната точка на допирателната към началния участък на деформационната крива с оста на абсцисата (виж фиг. 2.32, а).
Ако системата показва нарастване на напрежението с течение на времето при постоянно напрежение и пълно намаляване на напрежението в рамките на определено време след премахване на натоварването, тогава такива системи се описват от модела Kelvin-Voigt, състоящ се от паралелно свързани елементи на Hooke и модели на Нютон (фиг. 2.33). Този модел е характерен за механично обратимо твърдо структурирано тяло. За такава структура уравнението обикновено се използва за P = const
g(t) = P 0 / E . (2.4.56)
Това уравнение описва възходящия клон на кривата на фигура 2.33. Низходящият клон (при P = 0) се описва с уравнението
g = g m exp(- t/t p) . (2.4.57)
Най-точният модел за описание на поведението на реалните системи трябва да се счита моделът на паралелно свързани елементи от моделите на Нютон и Кулон, предложен от Бингам. Схемата на модела и кривата на деформация са показани на фиг. 2.34.
При напрежения, по-малки от границата на провлачване P t, системата има еластични свойства. След достигане на това напрежение започва пластичен поток, за да опише кое Бингам е предложил уравнението
Такъв вископластичен поток е характерен за много коагулационни структури - пигментирани стопилки и полимерни разтвори, печатарски мастила, глинени разтвори, концентрирани емулсии и др. Често увеличаването на напрежението води до допълнително разрушаване на конструкцията. В такива системи трябва да се говори за „ефективен“ вискозитет h ef , който намалява с увеличаване на напрежението до определена гранична стойност, съответстваща на пълното разрушаване на структурата в системата.
Свойства на дисперсните системи и определяне на размера на частиците.
Разделът "Свойства на колоидни системи" включва разглеждане на дифузия, Брауново движение, осмоза, седиментация, разсейване и абсорбция на светлината, а също така се разглеждат основни принципиопределяне на най-важната характеристика на системите - средния размер на частиците. Частиците в дисперсните системи обикновено имат разпределение по размер, следователно знанията на студентите как да определят параметрите на тези разпределения ще им позволят да разберат правилно, че свойствата на колоидни системи са функция не само от степента на фрагментация (дисперсия) на натрошената (дисперсна) фаза, но също и на нейното разпределение по размер на частиците.
Този факт се проявява в онези индустриални дисперсионни системи, които се използват при производството и рафинирането на текстилни материали, например при използване на дисперсни и серни багрила или пигментни дисперсии при отпечатване на модели върху тъкани и боядисване на влакна в насипно състояние. По време на съхранение в дисперсни системи (бои) на базата на пигменти или в оцветена маса от полимер, образуващ влакна, се отделя груба фракция или се получава неравномерно разпределение на частиците в полимерната маса, което може да промени сянката или дори цвета на боядисаните влакна, тъй като интензитетът на отражение на светлината и нейното разсейване зависят от размера на частиците.
Определянето на размера на частиците или капчиците на емулсията също е важно за създаване на ефективен процес за емулгиране на естествени влакна по време на тяхната обработка или по време на авиационната обработка на синтетични влакна. Взаимодействието на влакната с частици, например полимерни латекси, използвани за залепване на влакна в нетъкани материали или при оразмеряване на тъкани, зависи от техния размер, следователно, когато се разглеждат теоретичните аспекти на адхезията на частиците към влакната, коагулацията (агрегирането на частици) и хетерокоагулация (отлагане на частици върху влакна) , способността за определяне на размера на частиците несъмнено трябва да бъде едно от най-важните умения, които учениците ще развият в този раздел на учебника.
Оценяването на дисперсността на хетерогенните системи е трудна задача поради разнообразието на формата на техните частици, полидисперсността и възможното агрегиране на първични частици. Следователно обикновено се определя определена средна стойност и грешка от 10-20% се счита за приемлива.
Списък на използваната литература:
1. P. A. Rebinder, Повърхностни явления в дисперсни системи.
2. Колоидна химия, Избрано. съчинения, М., 1978; Дерягин B.V., "Напредък в химията", 1979, т. 48, c. 4, стр. 675-721
3. Уриев Н. Б., Високо концентрирани дисперсни системи, М., 1980 г.
4. Коагулационни контакти в дисперсни системи, М., 1982г
5. Капилярна химия, изд. К. Тамару, прев. от японски., М., 1983
6. Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А., Колоидна химия, Москва, 1982 г.
7. Също свети. под статиите Колоидна химия. повърхностни явления. Физическа и химическа механика. L. A. Шица. Е. Д. Шукин.
НАЗНАЧЕНИЕ: 1. Олово ........................................ .. ................................................ 2 2. Основни видове дисперсни системи ........................................ ........................2 3. Образуване на дисперсни системи............. ..................Знаете, че когато веществата се смесват с вода, се образуват както хомогенни системи (характерно свойство на разтворите), така и хетерогенни смеси. Замисляли ли сте се защо някои вещества с вода образуват хомогенна система, а други - хетерогенна? За да отговорите на този въпрос, трябва да разберете какво се случва в процеса на разтваряне на вещества във вода.
Когато се разтварят, веществата се раздробяват, така че истинските разтвори, както и суспензиите и емулсиите, са дисперсни системи (дисперсия означава смилане). Има много дисперсни системи. Те се различават един от друг в зависимост от това кои частици (твърди, течни, газообразни) и в средата (течни, газообразни) са разпределени. Така например една от дисперсните системи - димът се състои от смес от газове и много фини частици твърда материя. Мъглата е дисперсна система, в която средата може да бъде въздух, а диспергираните частици са малки капки течност. Пяните са диспергирани системи, при които средата е течност, а диспергираната субстанция е газ. Такава система може да се образува от смеси от различни вещества в различни агрегатни състояния.
Примери за дисперсни системи: а - дим, б - мъгла, в - пяна
Система, в която едно вещество под формата на много малки частици е разпределено в друго вещество, се нарича дисперсна система.
Най-често срещаните в природата са дисперсните системи, в които дисперсната среда е течност, а дисперсната фаза е твърдо вещество. В зависимост от размера на частиците на твърдото вещество, дисперсните системи се разделят на груби (суспензии и хетерогенни смеси с размер на частиците над 1 μm) и фини (колоидни) системи. Ако частиците на веществото, разпределени в системата, имат размерите на молекули или йони, тогава възниква хомогенна система - разтвор.
Дисперсните системи са газообразни, течни и твърди. Агрегатните състояния на разпределено вещество и среда, както и размерите на частиците определят свойствата на дисперсните системи. Ако частиците са разпределени по размер много по-голям от молекулите, тогава дисперсната система е нестабилна до известна степен. Той става хетерогенен: разпределеното вещество, в зависимост от специфичното си тегло, се издига на повърхността или се утаява. Процесът на утаяване на частиците се извършва толкова по-бързо, колкото по-груба е системата.
Дисперсните системи, съдържащи големи частици (повече от 100 микрона), се наричат суспензия (мътни смеси).
След дъждовна буря, например, водата в река се вихри през нарушените частици тиня. Водата постепенно се изчиства в резултат на утаяване на твърди частици.
Частиците от повечето суспензия могат да се наблюдават под микроскоп. В зависимост от състоянието на агрегиране на дисперсното вещество, такива системи се разделят на суспензии и емулсии. Дисперсните системи, представляващи течности, където се разпределят твърди вещества, се наричат суспензии (например смес от вода с глина). Ако капчици от друга течност се разпределят в една течност, тогава такива системи се наричат емулсии. Например, емулсиите се образуват чрез разклащане на керосин, бензин, масло с вода.
суспензия и емулсия
а) мляко (емулсия); б) смес от вода с кафена напитка (суспензия)
Съществуват и сложни диспергирани системи, като млякото. Съдържа водоразтворима млечна захар и разтворим казеин и мазнини, диспергирани в тях. С течение на времето мазнината се издига на повърхността като сметана, а казеинът се отделя като сирене, докато млякото се вкисва.
Дисперсни системи, съдържащи частици с размери от 1 до 100 микрона. се наричат колоидни разтвори или золи (подобни на лепило).Частици от колоидни разтвори могат да се видят само с помощта на ултрамикроскопи.
колоиден разтвор
Лепило - колоиден разтвор
Процесът на увеличаване на размера на колоидни частици се нарича коагулация или коагулация. В колоидни разтвори коагулацията протича много бавно. Ако частиците са относително големи, те започват да се утаяват бързо, така че лекарствата, които са суспензии или емулсии, се препоръчва да се разклащат преди приемане.
Ако разпределено вещество се съдържа в дисперсна система под формата на отделни молекули или йони, тогава такава система е много стабилна, съществува достатъчно дълъг период и се нарича истински (молекулен или йонен) разтвор.
Размерът на частиците в молекулярните разтвори не надвишава 1 микрон, така че истинските разтвори се наричат хомогенни системи, тъй като тяхната нехомогенност не може да бъде открита дори с ултрамикроскоп.
Много газове, течности и твърди вещества се разтварят във вода. Захарта и готварската сол се разтварят лесно във вода; въглеродният диоксид, амонякът и много други вещества, сблъсквайки се с вода, преминават в разтвор и губят предишното си агрегатно състояние. Разтвореното вещество може да бъде отделено от разтвора по определен начин. Ако разтворът се изпари готварска сол, тогава солта остава под формата на твърди кристали.
Когато веществата се разтварят във вода (или друг разтворител), се образува хомогенна (хомогенна) система. По този начин разтворът е хомогенна система, състояща се от два или повече компонента. Разтворите могат да бъдат течни, твърди или газообразни. Редките разтвори включват например разтвор на захар или натриев хлорид във вода, алкохол във вода и други подобни. Твърдите разтвори на един метал в друг включват сплави: месингът е сплав от мед и цинк, бронзът е сплав от мед и калай и други подобни. Газообразно вещество е въздухът или изобщо всяка смес от газове.
Посоченото разделение между различните решения е условно, няма резки граници между тях.
Хетерогенността на суспензиите и золите се обяснява с факта, че твърдото вещество, чиито частици са в течността, не се разтваря в нея.
В зависимост от разтворителя, разтворите са водни и неводни (например алкохолен разтвор на йод).
Адхезията на колоидни частици и тяхното утаяване в разтвор се нарича коагулация.
Според състоянието на агрегиране на разтвореното вещество разтворите се разделят на: твърди (например сплави), течни (например чай), газообразни (например смес от газове, въздух).
Кои системи се наричат разпръснати?
Какво е емулсия? Дай пример.
Какво е суспензия? Дай пример.
Дайте примери за колоидни и истински разтвори.
Задачи за самоконтрол
Изчислете масата и количеството сярна киселина, необходими за неутрализиране на разтвор, съдържащ натриев хидроксид с тегло 20 g.
Количеството солено вещество се образува, ако се неутрализира калиев хидроксид сярна киселина с тегло 9,8 g?
В природата е доста трудно да се намери чисто вещество. В различни състояния те могат да образуват смеси, хомогенни и хетерогенно - дисперсни системи и разтвори. Какви са тези връзки? Какви видове са те? Нека разгледаме тези въпроси по-подробно.
Терминология
Първо трябва да разберете какво представляват дисперсните системи. Това определение се разбира като хетерогенни структури, при които едно вещество като най-малките частици е разпределено равномерно в обема на друго. Компонентът, който присъства в по-малко количество, се нарича дисперсна фаза. Може да съдържа повече от едно вещество. Компонентът, присъстващ в по-големия обем, се нарича среда. Между частиците на фазата и нея има интерфейс. В тази връзка дисперсните системи се наричат хетерогенни - хетерогенни. Както средата, така и фазата могат да бъдат представени от вещества в различни агрегатни състояния: течно, газообразно или твърдо.
Дисперсни системи и тяхната класификация
В съответствие с размера на частиците, влизащи във фазата на веществата, се разграничават суспензии и колоидни структури. За първите стойността на елементите е повече от 100 nm, а за вторите от 100 до 1 nm. Когато веществото се разгражда на йони или молекули, чийто размер е по-малък от 1 nm, се образува разтвор - хомогенна система. Той се различава от другите по своята еднородност и отсъствието на интерфейс между средата и частиците. Колоидните дисперсни системи са представени под формата на гелове и золи. От своя страна суспензиите са разделени на суспензии, емулсии, аерозоли. Разтворите са йонни, молекулярно-йонни и молекулярни.
окачване
Тези диспергирани системи включват вещества с размер на частиците, по-голям от 100 nm. Тези структури са непрозрачни: отделните им компоненти могат да се видят с невъоръжено око. Средата и фазата се отделят лесно по време на утаяване. Какво представляват суспензиите? Те могат да бъдат течни или газообразни. Първите се делят на суспензии и емулсии. Последните са структури, в които средата и фазата са течности, които са неразтворими една в друга. Те включват например лимфа, мляко, боя на водна основа и други. Суспензията е структура, в която средата е течност, а фазата е твърдо, неразтворимо вещество в нея. Такива дисперсни системи са добре познати на мнозина. Те включват по-специално "варно мляко", морска или речна тиня, суспендирана във вода, микроскопични живи организми, често срещани в океана (планктон) и други.
аерозоли
Тези суспензии са разпределени малки частици от течност или твърдо вещество в газ. Има мъгли, дим, прах. Първият тип е разпределението на малки течни капчици в газ. Прахът и изпаренията са суспензии от твърди компоненти. В същото време първите частици са малко по-големи. Гръмотевичните облаци, самата мъгла, са естествени аерозоли. Смог надвисва над големите индустриални градове, състоящ се от твърди и течни компоненти, разпределени в газ. Трябва да се отбележи, че аерозолите като дисперсни системи имат голямо практическо значение, изпълняват важни задачи в промишлени и битови дейности. Примери за положителен резултат от употребата им включват третиране на дихателната система (вдишване), третиране на полета с химикали, пръскане на боя с пистолет за пръскане.
колоидни структури
Това са дисперсни системи, в които фазата се състои от частици с размери от 100 до 1 nm. Тези компоненти не се виждат с просто око. Фазата и средата в тези структури се разделят трудно чрез утаяване. Солите (колоидни разтвори) се намират в жива клетка и в тялото като цяло. Тези течности включват ядрен сок, цитоплазма, лимфа, кръв и други. Тези диспергирани системи образуват нишесте, лепила, някои полимери и протеини. Тези структури могат да бъдат получени в процеса химична реакция. Например, по време на взаимодействието на разтвори на натриев или калиев силикат с киселинни съединения се образува съединение на силициева киселина. Външно колоидна структура е подобна на истинската. Първите обаче се различават от вторите по наличието на "светещ път" - конус, когато през тях преминава лъч светлина. Солите съдържат по-големи частици от фазата, отколкото в истинските разтвори. Повърхността им отразява светлината - и в съда наблюдателят може да види светещ конус. В истинското решение няма такъв феномен. Подобен ефект може да се наблюдава и в киното. В този случай лъчът светлина не преминава през течност, а през аерозолен колоид - въздуха на залата.
Утаяване на частици
В колоидни разтвори фазовите частици често не се утаяват дори при продължително съхранение, което е свързано с непрекъснати сблъсъци с молекули на разтворителя под въздействието на термично движение. Когато се приближават един към друг, те не се слепват, тъй като на повърхностите им има електрически заряди със същото име. Въпреки това, при определени обстоятелства може да възникне процес на коагулация. Това е ефектът от залепване и утаяване на колоидни частици. Наблюдаваното този процеспри неутрализиране на заряди на повърхността на микроскопични елементи при добавяне на електролит. В този случай разтворът се превръща в гел или суспензия. В някои случаи процесът на коагулация се забелязва при нагряване или в случай на промяна в киселинно-алкалния баланс.
гелове
Тези колоидни дисперсни системи са желатинови седименти. Те се образуват по време на коагулацията на золите. Тези структури включват множество полимерни гелове, козметични, сладкарски, медицински вещества (торта от птиче мляко, мармалад, желе, желе, желатин). Те също така включват естествени структури: опал, тела на медузи, коса, сухожилия, нервна и мускулна тъкан, хрущял. Процесът на развитие на живота на планетата Земя всъщност може да се счита за история на еволюцията на колоидна система. С течение на времето се получава нарушение на структурата на гела и от него започва да се отделя вода. Това явление се нарича синерезис.
хомогенни системи
Разтворите включват две или повече вещества. Те винаги са еднофазни, тоест те са твърдо, газообразно вещество или течност. Но във всеки случай структурата им е хомогенна. Този ефект се обяснява с факта, че в едно вещество друго е разпределено под формата на йони, атоми или молекули, чийто размер е по-малък от 1 nm. В случай, че е необходимо да се подчертае разликата между разтвора и колоидна структура, това се нарича вярно. В процеса на кристализация на течна сплав от злато и сребро се получават твърди структури с различен състав.
Класификация
Йонните смеси са структури със силни електролити (киселини, соли, основи - NaOH, HC104 и други). Друг тип са молекулярно-йонни дисперсни системи. Те съдържат силен електролит (сероводород, азотна киселинаи други). Последният тип са молекулярни разтвори. Тези структури включват неелектролити - органични вещества (захароза, глюкоза, алкохол и други). Разтворителят е компонент, чието агрегатно състояние не се променя по време на образуването на разтвор. Такъв елемент може да бъде например вода. В разтвор на сол, въглероден диоксид, захар, той действа като разтворител. В случай на смесване на газове, течности или твърди вещества, разтворителят ще бъде компонентът, който е по-голям в съединението.
Често срещани грешки на Continent ap Continent ap
Сиг разширение. Как да отворя разширението. Описание на файловия формат и свързаните с него програми. Как да отворите .sig файл
Как да експортирате и импортирате частни ключове от локален портфейл Как да импортирате сертификат, копиран във файл
Поправяне на грешка при установяване на защитена връзка в Mozilla Firefox
