Количественные характеристики ДС

ХИМИЯ

 

 

ЛАНЬ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ • МОСКВА • КРАСНОДАР

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Уважаемые студенты!

Коллоидная химия занимает важное место в системе подготовки специалистов для различных областей промышленности. Курс коллоидной химии завершает общехимическую подготовку будущих специалистов и предшествует изучению специальных технологических дисциплин.

Значение коллоидной химии для технологии обусловлено тем, что будучи наукой о поверхностных явлениях и физико – химических свойствах дисперсных систем, она является химией реальных тел, так как в любой отрасли промышленности есть вещества, находящиеся в раздробленном состоянии. При производстве пластических масс и синтетических волокон, строительных материалов и продуктов питания, красителей и лекарств, в других областях промышленности возникают многочисленные коллоидно – химические проблемы.

Учебник состоит из четырех частей.

Часть 1 знакомит вас с дисперсными системами, являющимися основными объектами, изучаемыми коллоидной химией, и их основной особенностью – наличием большой межфазной поверхности и, как следствие, избытка поверхностной энергии. В главах 2 – 5 подробно рассмотрены различные виды адсорбции – самопроизвольных процессов в поверхностном слое. Этот материал важен не только вследствие большого практического значения адсорбционных процессов, но и для понимания вопросов устойчивости дисперсных систем, методов их получения и разрушения. В конце первой части описаны такие самопроизвольные поверхностные явления, как смачивание и адгезия, играющие важную Роль в различных областях человеческой деятельности.

Часть 2 посвящена описанию коллоидного состояния вещества. Содержание глав 6 – 10 составляют методы получения и очистки коллоидных растворов, их основные свойства: оптические, электрические, молекулярно – кинетические, вопросы их кинетической и агрегативной устойчивости. Завершается вторая часть учебника описанием структурно – механических свойств дисперсных систем (глава 11).

В части 3 рассматриваются дисперсные системы, свойства которых принципиально отличаются от свойств лиофобных золей. Это отличие состоит в том, что лиофильные коллоидные растворы образуются самопроизвольно и являются термодинамически устойчивыми и обратимыми. Наиболее типичные представители таких систем – растворы коллоидных поверхностно-активных веществ (глава 12) и высокомолекулярных соединений (главы 13, 14). Лиофильные коллоиды находят широкое применение в различных отраслях промышленности и, вместе с тем, используются в качестве стабилизаторов лиофобных золей и микрогетерогенных систем.

Значительный интерес представляют микрогетерогенные системы, которым посвящена четвертая часть учебника. Суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли, порошки повсеместно распространены в природе, встречаются в различных технологических процессах, с ними связаны сложнейшие экологические проблемы, но в большинстве учебников коллоидной химии им уделяется незаслуженно мало внимания. В главах 15 – 19 последовательно описываются:

а) системы с жидкой дисперсионной средой:

б) суспензии и пасты (дисперсная фаза твердая);

в) эмульсии (дисперсная фаза жидкая);

г) газовые эмульсии и пены (дисперсная фаза газообразная);

д) системы с газовой дисперсионной средой:

е) аэрозоли (дисперсная фаза твердая или жидкая);

и) порошки (дисперсная фаза твердая).

Каждая глава в учебнике заканчивается кратким заключением. Ознакомившись с ним, вы сможете сосредоточиться на основных положениях и выводах, следующих из данной главы. После этого ответьте на вопросы для самоконтроля и посмотрите перечень знаний, которые вы должны были получить.

Надеемся, что предлагаемый учебник окажется вам полезным при изучении специальных технологических дисциплин и в будущей профессиональной деятельности.

 

 

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

ГЛАВА 1

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

ПРЕДМЕТ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Коллоидная химия занимается изучением дисперсных систем.

Дисперсная система (ДС) – это система, в которой хотя бы одно вещество находится в раздробленном состоянии.

ДС имеет два характерных признака: гетерогенность и дисперсность. Гетерогенность означает, что система состоит как минимум из двух фаз. Казалось бы, в этом нет ничего особенного, ведь с такими системами мы уже встречались при изучении фазовых равновесий или электродных процессов.

Особенность ДС состоит в их дисперсности – одна из фаз обязательно должна быть раздробленной, ее называют дисперсной фазой. Сплошная среда, в которой раздроблена дисперсная фаза, называется дисперсионной средой.

Фаза считается дисперсной, если вещество раздроблено хотя бы в одном направлении. Если вещество раздроблено только по высоте, образуются пленки (ткани, пластины и т. д.). Если вещество раздроблено и по высоте и по ширине, образуются волокна, нити, капилляры. Наконец, если вещество раздроблено по всем трем направлениям, дисперсная фаза состоит из дискретных частиц.

Характерным свойством ДС является наличие большой межфазной поверхности. В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Характерными являются процессы, протекающие на поверхности, а не внутри фазы.

 

Рис. 1.1 Содержание курса коллоидной химии

 

Коллоидная химия – это наука о поверхностных явлениях и физико-химических свойствах дисперсных систем (рис. 1.1).

 

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДС

 

Для характеристики ДС используются три величины:

1. Поперечный размер частиц – d. [d] = см; м. Для сферических частиц это диаметр сферы, для кубических частиц – ребро куба.

2. Дисперсность (раздробленность) – Д – величина,обратная поперечному размеру частиц:

3. Удельная поверхность S_уд – это межфазная поверхность (S_1;2), приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы (V) или ее массы (m).

Для сферической частицы с радиусом r:

Для кубической частицы с ребром куба d:

,

(1.1)

В общем случае

где – коэффициент формы частиц (для сферических и кубических частиц =6)

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ДС

Классификация ДС может быть проведена на основе различных свойств.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ДИСПЕРСНОСТИ

 

Зависимость величины удельной поверхности от дисперсности S_уд = f(d) (см. уравнение 1.1) графически выражается равносторонней гиперболой (рис. 1.2).

Из графика видно, что с уменьшением поперечных размеров частиц величина удельной поверхности существенно возрастает. Если кубик с размером ребра 1 см измельчить до кубических частиц с размерами d = 10^-6 см, величина общей межфазной поверхности возрастет с 6 см² до 600 м².

Рис.1.2. Зависимость величины удельной поверхности от размеров частиц

 

При d 10^-7 см гипербола обрывается, так как частицы уменьшаются до размеров отдельных молекул, и гетерогенная система становится гомогенной, в которой межфазная поверхность отсутствует. По степени дисперсности ДС делятся на:

1. грубодисперсные системы, d 10 ^-3 см;

2. микрогетерогенные системы, 10^-5 d 10^-3 см;

3. коллоидно - дисперсные системы или коллоидные растворы, 10^-7 d 10^-5 см;

4. истинные растворы, d 3 10^-7 см.

Необходимо подчеркнуть, что самую большую удельную поверхность имеют частицы дисперсной фазы в коллоидных растворах.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО АГРЕГАТНОМУ СОСТОЯНИЮ ФАЗ

 

Классификация по агрегатному состоянию фаз была предложена Вольфгангом Оствальдом. В принципе возможно 9 комбинаций. Представим их в виде таблицы (см. таблицу 1.1).

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ВЗАИМОДЕЙСТВИЮДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ И ДИСПЕРСИОННОЙ СРЕДЫ(ПО МЕЖФАЗНОМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ)

 

Эта классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой. Г. Фрейндлих предложил подразделить ДС на два вида:

1) лиофобные, в них дисперсная фаза не способна взаимодействовать с дисперсионной средой, а следовательно, и растворяться в ней, к ним относятся коллоидные растворы, микрогетерогенные системы;

2) лиофилъные, в них дисперсная фаза взаимодействует с дисперсионной средой и при определенных условиях способна в ней растворяться, к ним относятся растворы коллоидных ПАВ и растворы ВМС.

 

 

Таблица 1.1

Классификация по агрегатному состоянию фаз

Агрегатное состояние дисперсной фазы	Агрегатное состояние дисперсной среды	Условное обозначение ф/с	Название системы	Примеры
г	г	г/г	аэрозоли	атмосфера Земли
ж	г	ж/г	туман, слоистые облака
тв	г	тв/г	дымы, пыли, перистые облака
г	ж	г/ж	газовые эмульсии, пены	газированная вода, мыльная пена, лечебный кислородный коктейль, пивная пена
ж	ж	ж/ж	эмульсии	молоко, масло сливочное, маргарин, кремы и т.д.
тв	ж	тв/ж	лиозоли, суспензии	лиофобные коллоидные растворы, суспензии, пасты, краски и т.д.
г	тв	г/тв	твердые пены	пемза, твердые пены, пенопласт, активированный уголь, пенобетон, хлеб, пористые тела в газе и т.д.
ж	тв	ж/тв	твердые эмульсии	вода в парафине, природные минералы с жидкими включениями, пористые тела в жидкости
тв	тв	тв/тв	твердые золи	сталь, чугун, цветные стекла, драгоценные камни: золь Au в стекле – рубиновое стекло (0,0001%) (1т стекла-1г Au)

 

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО МЕЖЧАСТИЧНОМУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ

 

Согласно этой классификации ДС подразделяют на:

1) свободнодисперсные (бесструктурные);

2) связнодисперсные (структурированные).

В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и способны независимо передвигаться в дисперсионной среде.

В связнодисперсных системах частицы дисперсной фазы связаны друг с другом за счет межмолекулярных сил, образуя в дисперсионной среде своеобразные пространственные сетки или каркасы (структуры). Частицы, образующие структуру, не способны к взаимному перемещению и могут совершать только колебательные движения.