28 ноября Лекция 11. Поверхностные явления. Дисперсные системы (. Лекция 11 Поверхностные явления. Дисперсные системы Поверхностные явления
 Скачать 0.67 Mb.
|
|
Лекция 11 Поверхностные явления. Дисперсные системы 1. Поверхностные явления Гетерогенная система, состоящая из 2-х фаз (чистая жидкость и ее собственный насыщенный пар) характеризуется тем, что жидкость на поверхности находится в особых условиях: молекулы жидкости испытывают неодинаковое влияние сил межмолекулярного взаимодействия, которое внутри каждой фазы полностью компенсируется, т.е. уравновешивается – испытывает одинаковое воздействие со всех сторон (молекулы А). Рис. 1. Гетерогенная система из 2-х фаз. Таким образом, в поверхностном слое на границе с газом, силы взаимодействия со стороны жидкости значительно больше (молекулы В). В результате избытка сил притяжения со стороны жидкости молекулы В стремятся втянуться внутрь жидкости. Свободная поверхностная энергия – та часть свободной энергии системы, которая обусловлена наличием межфазной поверхности. Работа, которая затрачивается на образование единицы новой поверхности раздела фаз и равна изменению энергии Гиббса, называют удельной свободной поверхностной энергией σ (сигма). dG = σ·dS, где σ – удельная величина свободной поверхностной энергии или свободная энергия Гиббса единицы площади поверхности , измеряется в Дж/м 2 Значение σ зависит от: - природы соприкасающихся фаз; - температуры; - добавок растворенных веществ. В случае рассмотрения границы 2-х конденсированных фаз свободная энергия Гиббса единицы площади поверхности называют пограничным А В газ жидкость пограничный слой натяжением , а для границы жидкости с ее парами – поверхностным натяжением. Поверхностная энергия равна работе сил поверхностного натяжения, которая необходима для перемещения 1 молекулы из объема на поверхность, умноженной на количество перемещенных молекул: F = n·σ. Если работа по перемещению молекул производится в равновесных и изотермических условиях (dG < 0, ∆Т = const), величина F называется свободной поверхностной энергией. Если работа по перемещению молекул отнесена к единице поверхности – поверхностное натяжение: S F , где σ – поверхностное натяжение, F – поверхностная энергия, S – площадь поверхности. Все самопроизвольные процессы происходят в направлении уменьшения энергии Гиббса : dG < 0, т.е. произведение σ·dS стремиться к минимальному значению. Вследствие этого дисперсные системы принципиально термодинамически неустойчивы Уменьшение свободной поверхностной энергии системы происходит самопроизвольно и может реализоваться двумя способами: 1) за счет уменьшения площади межфазной поверхности; например , в свободной капле стремление поверхности к уменьшению приводит к ее шарообразной форме; например , в туманах и дождевых облаках происходит слияние мелких капель, разрушается дисперсная система, в результате проливается дождь и появляется роса; 2) путем изменения состава поверхностного слоя – адсорбция Адсорбция – это изменение концентрации (сгущение или концентрирование) вещества на границе раздела фаз. Адсорбция – это самопроизвольное концентрирование вещества на поверхности раздела фаз, происходящее за счет притяжения молекул из объёма и удерживания их на поверхности. Адсорбция – это самопроизвольный экзотермический процесс. Вещество, адсорбируемое на границе раздела фаз, называется адсорбатом , адсорбирующее его твердое или жидкое тело − адсорбентом Адсорбция происходит на любых межфазных поверхностях, адсорбируются любые вещества. Адсорбция может протекать в двух случаях: 1) на поверхности жидкости, при этом возможные границы «жидкость – жидкость», «жидкость – газ»; 2)на поверхности твердого тела, возможные границы: «твердое – жидкость», «твердое – газ». Для растворов связь между количеством адсорбированного вещества Г и изменением удельной поверхностной энергии (поверхностным натяжением) σ при адсорбции описывается фундаментальным адсорбционным уравнением Гиббса dC d RT C Г , где dσ/dС - изменение поверхностного натяжения при адсорбции; С – концентрация адсорбируемого (растворенного) вещества; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура. Количество адсорбированного вещества Г возрастает с увеличением концентрации С и уменьшается в с увеличением температуры Т. Знак «минус», так как при адсорбции уменьшается поверхностное натяжение. Величиной, учитывающей адсорбционную способность вещества, является способность его к понижению поверхностного натяжения – поверхностная активность G, которая представляет собой производную dσ/dС, взятую с отрицательным знаком, при стремлении концентрации вещества к 0: 0 ) ( C dC d G Величина поверхностной активности показывает, как изменяется поверхностное натяжение при увеличении концентрации адсорбата . В зависимости от знака G можно выделить две группы растворимых веществ: 1. Вещества, для которых G > 0 (поверхностное натяжение уменьшается с увеличением концентрации веществ), называют поверхностно-активными (ПАВ) . Поскольку наличие молекул ПАВ в поверхностном слое энергетически выгодно dσ/dС < 0, то происходит самопроизвольное концентрирование растворённого вещества на межфазной границе. В отношении воды ПАВ являются органические вещества, имеющие неполярную (углеводородную) и полярную части. Полярной частью могут быть функциональные группы −ОН, −СООН, −SО 2 ОН, −ОSО 2 ОМе и др. 2. Вещества, для которых G < 0, являются поверхностно- инактивными (ПИАВ) . ПИАВ в отношении воды являются многие неорганические соединения (соли, кислоты), которые сильно взаимодействуют с молекулами воды. Поверхностная активность тем выше, чем больше уменьшается σ при добавлении тех же количеств веществ. Высокая поверхностная активность коллоидных ПАВ зависит главным образом от длины углеводородного радикала. Согласно правилу Дюкло − Траубе, увеличение длины радикала на одну группу −СН 2 − приводит к возрастанию поверхностной активности приблизительно в 3,2 раза. 2 , 3 1 n n C С Это правило справедливо для истино растворимых ПАВ, т.к. поверхностную активность определяют при бесконечном разбавлении системы. Чем длиннее радикал, тем сильнее выталкиваются ПАВ из водного раствора (уменьшается растворимость). Молекулы идут к поверхности раздела фаз, в результате поверхностное натяжение раствора понижается. В зависимости от показателя dσ/dС различают положительную и отрицательную адсорбцию : а) для ПАВ − если dσ/dС < 0, а > 0 – положительная адсорбция , т.е. концентрация в поверхностном слое больше, чем в глубине фазы; б) для ПИАВ − если dσ/dС > 0, а < 0 – отрицательная адсорбция , при этом поверхностное натяжение несколько возрастает в результате того, что в растворах сильных электролитов поверхностные молекулы воды втягиваются внутрь раствора с большей силой, чем в чистой воде. Рассмотрим адсорбцию на поверхности раздела «раствор – воздух». Молекулы спиртов (ROH) в поверхностном слое раствора самопроизвольно ориентированы таким образом, что неполярная углеводородная часть радикала выходит из воды в соседнюю неполярную фазу (воздух), а полярная гидрофильная группа –ОН взаимодействует с водой и остается в водной фазе (рис. 2). Рис. 2. Схема ориентации молекул ПАВ Такая ориентация и обеспечивает снижение свободной поверхностной энергии раствора и поверхностного натяжения. Если система твердое вещество – газ, то уравнение Гиббса имеет следующий вид: p RT p Процессы адсорбции в соответствии с типом взаимодействия адсорбата и адсорбента классифицируют: физическаяадсорбция, химическая адсорбция (или хемосорбция) и обменная адсорбция. Физическая адсорбция осуществляется за счет сил Ван-дер- Ваальса и водородных связей, которые вызывают конденсацию газов. Адсорбат стремится целиком занять всю поверхность адсорбента, но этому препятствует процесс, противоположный адсорбции, – десорбция , вызванный, как и диффузия, стремлением к равномерному распределению вещества вследствие теплового движения. Физическая адсорбция универсальна, то есть не зависит от природы адсорбента и адсорбата, и всегда обратима. Теплота процесса физической адсорбции невелика и соизмерима с теплотой конденсации. Физическая адсорбция является экзотермическим процессом, поэтому повышение температуры уменьшает адсорбцию. Пример – адсорбция инертных газов на угле. Воздух Раствор ПАВ Хемосорбция осуществляется за счёт химических сил, поэтому десорбция протекает с большим трудом и часто вещество десорбируется химически изменённым. Химическая адсорбция обусловлена химической реакцией на поверхности адсорбента, она зависит от природы адсорбента и адсорбата и в большинстве случаев необратима. Часто физическая адсорбция предшествует химической – адсорбат, адсорбированный поверхностно в результате физических сил, затем связывается с адсорбентом уже химическими силами. Теплота абсорбции имеет порядок теплот химических реакций. Протекает хемосорбция обычно при сравнительно высоких температурах. Повышение температуры способствует адсорбции. Обменная адсорбция - обмен ионов между двойным электрическим слоем адсорбента и средой. При обменной адсорбции адсорбент, поглощая определённое количество других ионов, выделяет одновременно в раствор эквивалентное количество других ионов того же знака, вытесненных с поверхности. Адсорбенты характеризуются большой поверхностью раздела фаз и обладают значительной адсорбционной активностью. У пористых адсорбентов резко увеличивается площадь раздела фаз не только в результате дисперсности, но и за счёт площади самих пор (активированный уголь, силикагель – это аэрогель обезвоженной кремниевой кислоты). Адсорбция на твердой поверхности ( на поверхности раздела «твердое тело – газ» или «твердое тело – раствор»). Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра (1915 г.) основывается на следующих положениях: 1.Адсорбция является локализованной и вызывается силами, близкими к химическим. 2.Адсорбция происходит не на всей поверхности адсорбента, а на активных центрах, которыми являются выступы либо впадины на поверхности адсорбента. Активные центры считаются независимыми (т.е. один активный центр не влияет на адсорбционную способность других) и тождественными. 3.Каждый активный центр способен взаимодействовать только с одной молекулой адсорбата, в результате на поверхности может образоваться только один слой адсорбированных молекул. 4.Процесс адсорбции является обратимым и равновесным – адсорбированная молекула удерживается активным центром некоторое время, после чего десорбируется; через некоторое время между процессами адсорбции и десорбции устанавливается динамическое равновесие. Количество адсорбированного вещества (или величина адсорбции) на поверхности твердого тела зависит от его исходной концентрации в фазе, контактирующей с адсорбентом. Эта зависимость при постоянной температуре носит название изотермы адсорбции Рис. 3. Изотерма мономолекулярной адсорбции Для мономолекулярной адсорбции (адсорбции в один молекулярный слой на поверхности) изотерма описывается уравнением Ленгмюра Г = Г ∞٠ C K C K 1 , где Г − величина адсорбции; Г ∞ − предельная мономолекулярная адсорбция (на рис. Г о ); С – исходная концентрация адсорбата (растворенного вещества); К − константа адсорбционного равновесия. Проанализируем уравнение. При малых концентрациях (1+К·С)→1, тогда выражение сводится к виду Г = Г ∞ ·К·С ( линейная зависимость адсорбции от концентрации адсорбата). При больших концентрациях К·С ≈ 1+К·С, тогда Г = Г ∞ , что соответствует состоянию насыщения, когда вся поверхность адсорбента покрыта слоем молекул адсорбата. Уравнение Ленгмюра применяют при определении удельной поверхности адсорбента S уд (м 2 /г): S уд = Г ∞ ·N A ·S о , где N A − постоянная Авогадро; S о − площадь, занимаемая одной молекулой в насыщенном адсорбционном слое. Величину Г ∞ находят из уравнения Ленгмюра. Для этого уравнение переводят в линейную форму : 1 1 1 C K Г Г Г Далее из графика зависимости 1/Г (на рис. 1/А) от 1/С находят Г ∞ (на рис. А ∞ )и К (рис. 4). tgα=1/K·A ∞ А 1 А 1 o C 1 Рис. 4. Графическое определение величины предельной адсорбции А ∞ константы адсорбции К 2. Дисперсные системы Гетерогенная дисперсная система – это система, в которой одна фаза в виде отдельных очень мелких частиц распределена в другой. В этой системе выделяют: дисперсную фазу – раздробленное вещество (частицы) определенного размера и формы. дисперсионную среду – среда, в которой находится раздробленное (диспергированное) вещество. Важнейшей характеристикой дисперсных систем является степень дисперсности (или степень раздробленности ) D – величина, обратная среднему размеру частиц дисперсной фазы. D = а 1 , где а равно либо диаметру сферических или волокнистых частиц, либо длине ребра кубических частиц, либо толщине пленок. Степень дисперсности D численно равна числу частиц, которые можно уложить плотно в ряд (или в стопку пленок) на протяжении единицы длины (1 м или 1 см). С повышением дисперсности все больше число атомов вещества находится в поверхностном слое – на границе раздела фаз, по сравнению с их числом внутри объема частиц дисперсной фазы. Классификация дисперсных систем. Существует несколько классификаций дисперсных систем по различным признакам. 1. Дисперсные системы классифицируют по топографическому строению : пленочно-дисперсные или ламинарные, волокнисто- дисперсные или фибриллярные, корпускулярно-дисперсные или корпускулярные. 2. Дисперсные системы классифицируют по степени дисперсности (табл. 1). Таблица 1 Классификация дисперсных систем по степени дисперсности Системы Раздробленность вещества Размер частиц а, нм Степень дисперсности D, м -1 Число атомов в одной частице Грубодисперсные Макроскопическая 10 7 – 10 5 10 2 – 10 4 > 10 18 Микроскопическая 10 5 – 10 2 10 4 – 10 7 > 10 9 Высокодисперсные или ультрадисперсные Коллоидная 100 – 1 10 7 – 10 9 10 9 – 10 3 Истинные растворы (молекулярные и ионные) Молекулярная и ионная 1 – 10 -1 > 10 9 < 10 3 3. Дисперсные системы классифицируют по однородности размеров частиц: монодисперсные – все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры. полидисперсные – частицы дисперсной фазы неодинакового размера. 4. Дисперсные системы классифицируют по агрегатному состоянию (табл. 2): ( т – твердое состояние; ж – жидкое состояние; г - газообразное состояние). Таблица 2 Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды Дисперсная фаза Дисперсионная среда Тип системы Примеры ж г Аэрозоль – коллоидно-дисперсные Аэрозоли Грубодисперсные Туман, облако т г Аэрозоль – коллоидно-дисперсные Аэрозоли Грубодисперсные Пыль, дым, смог г ж Пена – грубодисперсные Пены мыльные, противопожарные ж ж Лиозоли - коллоидно-дисперсные Молоко, майонез Эмульсия – грубодисперсные Капли масла в воде т ж Лиозоли, коллоидные растворы Золи металлов Суспензия (взвесь ) – грубодисперсные Взмученная глина в воде г т Пористые системы – Коллоидно-дисперсные Гель цементного камня Твердые пены – грубодисперсные Пенобетон, пенопласт, пемза ж т Гель – коллоидно-дисперсные Гель Жидкие включения в твердых телах – грубодисперсные Почва т т Твердые коллоидные растворы Рубин Твердые включения в твердых телах – грубодисперсные Минералы 5. Дисперсные системы классифицируют по отличию во взаимодействии между частицами дисперсной фазы (ДФ) и дисперсионной среды (ДС): лиофобные дисперсные системы или коллоидные растворы: лиофильные дисперсные системы или растворы высокомолекулярных соединений (ВМС): - частицы ДФ не взаимодействуют или слабо взаимодействуют с частицами ДС; - частицы ДФ взаимодействуют с частицами ДС; - системы получают с затратой энергии; - системы образуются самопроизвольно; - структурная частица системы мицелла – сложный многокомпонентный агрегат с переменным числом адсорбированных ионов или молекул. - структурная частица системы – это одна макромолекула ВМС. 6. Дисперсные системы классифицируют по наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы (ДФ): свободнодисперсные: связнодисперсные : - частицы ДФ не имеют контактов между собой, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести; - системы текучи. - возникают при контактах частиц ДФ, приводящих к образованию коагуляционной структуры в виде каркаса или сетки – геля (полутвердое – полужидкое состояние); - возникают при срастании или склеивании частиц ДФ, приводящих к образованию конденсационных или кристаллизационных структур. Примеры систем: аэрозоли, лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Примеры систем: гели, порошки, концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), пены. Кроме перечисленных дисперсных систем выделяют капиллярно- дисперсные системы – системы, в которых частицы дисперсной фазы образуют сплошную массу, а частицы дисперсионной среды пронизывают ее в порах или капиллярах. Примеры капиллярно-дисперсных систем: древесина, мембраны, кожа, бумага, картон, ткани. Коллоидные растворы или золи (от латинского «solutio» - раствор) – это высокодисперсные системы с жидкой дисперсной средой. Частицы дисперсной фазы в коллоидных растворах называются мецеллами Рассмотрим пример образования коллоидного раствора иодида серебра AgI при взаимодействии очень разбавленных растворов AgNO 3 и KI. AgNO 3 + KI(изб.) = AgI↓ + KNO 3 Ag + + NO 3 - + K + + I - = AgI↓ + K + + NO 3 - 1. Нерастворимые молекулы AgI образуют ядро . Вещество ядра имеет кристаллическую или аморфную структуру и состоит из нескольких тысяч нейтральных молекул или атомов: m[AgI] ядро коллоидной частицы 2. Ядро адсорбирует (концентрирует) на своей поверхности те или иные ионы, имеющиеся в растворе. Обычно адсорбируются те ионы, которые входят в состав ядра, т.е. или Ag + или I - . Если раствор получали при избытке KI, то адсорбируются I - . Они достраивают кристаллическую решетку ядра, начиная формировать адсорбционный слой и придавая ядру отрицательный заряд: m[AgI]nI - Ионы, адсорбирующиеся на поверхности ядра и придающие ему соответствующий заряд, называются потенциалопределяющими ионами . 3. В растворе находятся и другие ионы избытка реактива, противоположные по знаку – это противоионы K + , которые электростатически притягиваются ионами nI - , достраивая адсорбционный слой. Но только часть ионов K + (n-x) притягиваются потенциалопределяющими ионами. Таким образом, ядро с адсорбционным слоем формируют гранулу . {m[AgI]nI - (n-x) K + } x- ядро адсорбционный слой гранула 4. Оставшаяся часть противоионов образует диффузионный слой ионов. {m[AgI]nI - (n-x) K + } x- xK + гранула диффузионный слой мицелла Ядро с адсорбционным и диффузионным слоями представляет собой мицеллу. Двойной электрический слой (ДЭС); механизмы его образования . Заряд на коллоидных частицах лиозолей обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя из ионов, который возникает в результате двух причин: - или в результате избирательной адсорбции (концентрирования на поверхности) одного из ионов электролита; - или за счет ионизации поверхностных молекул вещества. Примером образования ДЭС в результате избирательной адсорбции одного из ионов электролита является возникновение ДЭС на кристалликах иодида серебра, находящегося в разбавленном растворе иодида калия. Потенциалопределяющие ионы, способные достраивать кристаллическую решётку иодида серебра, придают частицам AgI отрицательный заряд, а ионы калия находятся в растворе вблизи межфазной поверхности. {m[AgI] nI - (n-x) K + } x- xK + ДЭС Пример возникновения ДЭС за счет ионизации поверхностных молекул вещества − образование ДЭС на кристалликах водного золя диоксида кремния SiO 2 . Молекулы SiO 2 гидратируются и образуют кремниевую кислоту. ДЭС может образовываться за счет частичной диссоциации молекул кислоты: H 2 SiO 3 = HSiO 3 ¯ + H + При этом гидросиликатные ионы HSiO 3 ¯ остаются на поверхности частицы, обусловливая её отрицательный заряд, а ионы водорода находятся в растворе. {m[aH 2 O·bSiO 2 ] nHSiO 3 ¯ (n – x)H + } ¯X xH + ДЭС Наличие одноименного заряда у всех гранул является важным фактором устойчивости. Заряд препятствует слипанию и укрупнению коллоидных частиц , то есть коагуляции . При добавлении к золям электролитов происходит уменьшение величины зарядов гранул, что приводит к слипанию частиц. В результате коагуляции частицы могут или выпасть в осадок под влиянием силы тяжести – это процесс седиментации, или образовать полутвердую упругую массу – гель или студень Пример коллоидной системы – молоко. Составные части: вода, жир, казеин и молочный сахар. Жир в виде эмульсии с течением времени поднимается кверху, образуя сливки; казеин в виде коллоидного раствора самопроизвольно не выделяется, но при подкислении осаждается, превращаясь в творог (в естественных условиях казеин выделяется при скисании молока). Примеры коллоидных растворов (золей): протоплазма живых клеток, кровь, сок растений. Способы получения коллоидных систем.Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами.Поэтому коллоидные растворы могут быть получены: - путем ассоциации (конденсации) молекул или ионов истинных растворов – методы конденсации; - раздроблением частиц дисперсной фазы грубодисперсных систем – методы диспергирования. Методы конденсации подразделяются на: физическую конденсацию – образование коллоидной системы без протекания химических реакций: химическую конденсацию – образование коллоидной системы в результате протекания химической реакции, приводящей к образованию нерастворимого вещества: - метод понижения температуры: конденсация молекул испаряющегося вещества, соединяющихся в мелкие частицы при охлаждении; - метод замены растворителя: изменение среды, при котором растворимое вещество становится нерастворимым или малорастворимым. Необходимым условием существования коллоидной системы является нерастворимость вещества в растворителе. - окислительно-восстановительной реакции: Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = = Nа 2 SO 4 + SO 2 ↑ + S↓ + H 2 O; 2HAuCl 4 + 3H 2 O 2 = 2Au↓ + 8HCl + 3O 2 ; - реакции гидролиза: FeCl 3 + 3H 2 O = Fe(OH) 3 ↓ + 3HCl; - реакции обмена: AgNO 3 + KCl = AgCl↓ + KNO 3 ; Hg(CN) 2 + H 2 S = HgS↓ + 2HCN. Необходимые условия получения коллоидной системы: разбавленные растворы реагентов; избыток одного из растворов реагентов. Методы диспергирования подразделяются на следующие виды: 1. Механическое раздробление твердого тела осуществляется с помощью коллоидных мельниц (быстро вращающегося механизма ударного действия, скорость вращения – 150 м/с). Измельченные частицы вещества для диспергирования смешивают с жидкостью, содержащей стабилизатор; частицы полученной взвеси, приобретая скорость, ударяются о неподвижные выступы и разбиваются на мелкие частицы. 2. Электрическое распыление осуществляется с помощью шаровых мельниц. Через дисперсионную среду, например, воду, пропускают электрический ток между электродами, изготовленными из материала, коллоидный раствор которого нужно получить; один из электродов распыляется. Сначала осуществляется молекулярное дробление, молекулы конденсируются в коллоиды. Метод применяют для получения коллоидных растворов металлов (Au, Ag, Pt). 3. Ультразвуковое дробление осуществляется ультразвуком (колебания воздуха с большой частотой от 10 5 до 10 6 Гц) с помощью пьезоэлектрических осцилляторов. Метод применяют для получения коллоидных растворов смол, гипса, графита, красителей, крахмала. Пептизацией называется процесс получения золей из студней или рыхлых осадков при действии на них веществ, способных адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц и таким образом сообщать им способность перехода в золь. При пептизации происходит не изменение степени дисперсности частиц, образующих студень или осадок, а только их разъединение. Пептизаторы способствуют образованию двойного слоя ионов на поверхности частиц осадка, придавая золю агрегативную устойчивость. Различают пептизацию непосредственную и посредственную,в зависимости от того, что адсорбируется на поверхности частиц перед их разделением: прибавленное вещество (стабилизатор) или продукт его взаимодействия с веществом частиц. Примером посредственной пептизации может служить получение золя Fе(ОН) 3 . Адсорбирующиеся на поверхности частиц ионы образуются в результате химической реакции взаимодействия разбавленной соляной кислоты на студенистый осадок Fe(OH) 3 , предшествующей пептизации. При этом часть расположенных на поверхности молекул Fе(ОН) 3 взаимодействует с НС1 и образует молекулы FeOCI, которые пептизируют осадок. Свойства коллоидных систем Оптические свойства коллоидных систем: явления рассеяния света. В 1857г. М. Фарадей и в 1869 г. Дж. Тиндаль наблюдали одно и тоже явление - образование конуса при пропускании пучка света через коллоидный раствор. Когда большая длина волны встречается с маленькой частицей, то происходит дифракция (светорассеяние) – эффект или конус Тиндаля Светорассеяние в коллоидных растворах проявляется в виде опалесценции - матовое свечение (обычно голубоватых оттенков), которое хорошо заметно на тёмном фоне при боковом освещение золей. Электрокинетический потенциал . При взаимном перемещении дисперсной фазы и дисперсионной среды происходит разрыв ДЭС в диффузной части. Возникающий при этом на плоскости скольжения потенциал получил название электрокинетического потенциала или ξ- потенциала (дзета потенциала). Расстояние от межфазной поверхности, на котором находится плоскость скольжения, и величина ξ-потенциала зависят от скорости перемещения фаз, их природы, вязкости среды и некоторых других факторов. Электрокинетические явления. Наличие ДЭС обуславливает электрокинетические явления в дисперсных системах. Если дисперсную систему поместить в электрическое поле, начнется взаимное перемещение фаз (рис. 5). Рис. 5. Схема движения коллоидных частиц в электрическом поле Электрокинетические свойства обусловлены наличием заряда у частиц дисперсной фазы и противоположного заряда у дисперсионной среды. К электрокинетическим явлениям относятся электрофорез и электроосмос. Электрофорез − перемещение дисперсной фазы относительно дисперсионной среды в свободнодисперсных системах под воздействием электрического поля. Электроосмос − перемещение под действием электрического поля дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы в связнодисперсных системах. Метод электрофореза широко применяют на практике для нанесения покрытий, для очистки воды и других веществ от примесей, для формирования изделий из тонких взвесей с последующим их спеканием, для разделения, выделения и исследования биоколлоидов (особенно белков). Электрофорез применяют в медицине как метод лечения. Электроосмос обычно является более энергоемким процессом, его используют для удаления воды из различных сред (грунтов, строительных материалов), пропитки материалов, очистки веществ от примесей. Возникновение электрических полей при течении грунтовых вод – один из «сигналов» в геологической разведке полезных ископаемых и водных источников. Устойчивость дисперсных систем разделяют на два вида: - устойчивость к осаждению дисперсной фазы; - устойчивость к агрегации ее частиц. + _ Анод Катод Под кинетической (или седиментационной) устойчивостью понимают свойства частиц дисперсной фазы удерживаться во взвешенном состоянии, не осаждаясь (не седиментируясь). Агрегативная устойчивость колодных систем − это способность частиц дисперсной фазы оказывать сопротивление их слипанию, не укрупняясь, и тем самым удерживать определенную степень дисперсности этой фазы в целом. Коагуляция – процесс слипания коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов. Коагуляция сопровождается потерей агрегативной устойчивости и последующей потерей кинетической устойчивости. Коагуляция в разбавленных системах приводит к потере седиментационной устойчивости и расслоению фаз. Коагуляция представляет собой сложный процесс, включающий несколько стадий. Первый этап коагуляции состоит в сближении частиц дисперсной фазы и взаимной их фиксации на небольших расстояниях друг от друга. Между частицами остаются прослойки дисперсионной среды. На этом этапе уже возникают коагуляционные структуры , но частицы могут достаточно свободно перемещаться относительно друг друга. На следующем этапе коагуляции происходит разрушение прослоек среды и взаимодействие частиц с образованием более крупных. Процесс образования агрегатов из нескольких частиц, разделённых прослойками дисперсионной среды, называется флокуляцией . Факторы, вызывающие коагуляцию: - повышение температуры. При этом увеличивается броуновское движение частиц, что способствует повышению кинетической устойчивости. Однако более частые и эффективные столкновения приводят к слипанию частиц, что ведёт к понижению агрегативной устойчивости и одновременному снижению кинетической устойчивости; - механические воздействия (перемешивания); - объединение коллоидных систем с противоположным зарядом гранул; - добавление электролита. Наиболее важным и изученным фактором коагуляции является действие электролита . Очень чувствительны к воздействию электролитов лиофобные золи, которые теряют свою устойчивость и разрушаются при добавлении даже небольших их количеств. Коагулирующее действие на золь оказывают ионы , имеющие заряд, противоположный заряду коллоидной частицы . Оно тем выше, чем больше заряд иона-коагулятора. Установлены следующие эмпирические закономерности воздействия электролитов – правила коагуляции 1. Правило знака заряда. Любой электролит может вызвать коагуляцию дисперсной системы. Характер протекания определяется зарядом этой частицы. 2. Каждый электролит способен вызвать коагуляцию данного золя и мерой является порог коагуляции γ – это минимальная концентрация электролита, приводящая к коагуляции коллоида за определенный промежуток времени. 3. Правило Шульца – Гарди (правило валентности): чем выше заряд коагулирующего иона, тем ниже порог коагуляции. Трёхвалентный ион почти в 1000 раз эффективнее одновалентного иона. 4. Лиотропные ряды. Если коагулирующие ионы имеют одинаковый заряд, то большее коагулирующее действие будет иметь ион с большим радиусом (с меньшей степенью гидратации). Взаимная коагуляция золей. Разрушение коллоидов может наблюдаться при смешивании двух золей, имеющих противоположные заряды частиц. В таких случаях полная коагуляция наступает, когда общий заряд частиц одного коллоида точно соответствует противоположному заряду другого. В противном случае образуется Коагулирующая активность увеличивается Степень гидратации увеличивается: Cs + > Rb + > K + > Na + > Li + Коагулирующая активность увеличивается Степень гидратации увеличивается: CNS - > I - > Br - > Cl - новый золь, частицы которого несут заряд того из коллоидов, чей заряд оказался в избытке. |