Систем
Скачать 345.91 Kb.
|
| Лекции 17-18. Продолжительность 90 мин. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ В природе обычно встречаются не индивидуальные химические вещества, а их смеси - растворы и дисперсные системы. Дисперсной системой называется гетерогенная система, в которой мелкие частицы одной фазы равномерно распределены в объеме другой фазы. Дисперсная система состоит из однородной непрерывной фазы - дисперсионной среды, в которой равномерно распределены мелкие частицы дисперсной фазы. Природные дисперсные системы очень разнообразны. Их можно классифицировать по различным признакам. По размеру частиц дисперсной фазы:
По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды:
По характеру взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой:
По структурно-механическим свойствам:
Коллоидными системами являются многие биологические жидкости живого организма: кровь, плазма, лимфа, спинно-мозговая жидкость, моча и др. Переход свежеосажденного осадка в золь называется пептизацией. Коллоидные растворы (золи) образуются при распределении в дисперсионной среде малорастворимых веществ дисперсной фазы. Они состоят из частиц очень малых размеров, поэтому суммарная поверхность всех частиц S очень велика. В системе возникает огромная свободная поверхностная энергия GS = σS. В соответствии со вторым началом термодинамики такие системы термодинамически неустойчивы; в них самопроизвольно протекают процессы, направленные на снижение поверхностной энергии (GS 0) и проявляющиеся в стремлении коллоидных частиц объединяться в более крупные агрегаты. Тем не менее в природе лиофобные коллоидные растворы могут существовать длительное время без существенных изменений из-за присутствия в растворе молекул или ионов, выполняющих роль стабилизатора таких систем. Частицы стабилизатора адсорбируются на поверхности коллоидных частиц, увеличивают их сродство к дисперсионной среде и препятствуют слипанию частиц между собой. Таким образом, для образования устойчивых лиофобных коллоидных растворов необходимо выполнение следующих условий: 1) малая растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде; 2) определенные размеры частиц дисперсной фазы (10-9 - 10-7 м); 3) наличие в системе стабилизатора. При выполнении этих условий в коллоидном состоянии можно получить любое вещество. Первое условие выполняется правильным выбором растворителя. Если вещество хорошо растворимо в данном растворителе, то самопроизвольно получается истинный раствор, однако при использовании растворителя, в котором оно плохо растворимо, можно получить коллоидный раствор. Например, при растворении в воде хлорида натрия всегда получается истинный раствор, однако введение хлорида натрия в бензол, где он плохо растворим, может привести к образованию коллоидного раствора. Невозможно получить коллоидный спиртовой раствор канифоли, поскольку она хорошо растворима в спирте, однако при определенных условиях образуется коллоидный раствор канифоли в воде, где она растворима плохо. Второе условие - получение частиц определенного размера - можно выполнить разными способами. Поскольку коллоидные растворы по размерам частиц дисперсной фазы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами, коллоидные частицы можно получить двумя путями: 1) измельчением крупных частиц до размеров коллоидных - диспергационные методы; 2) объединением молекул и ионов в истинных растворах в более крупные коллоидные частицы - конденсационные методы. Истинный Коллоидный Грубодисперсная раствор раствор система d10-9 м конденсирование 10-9d10-7 м диспергирование d10-7 м Конденсационные методы получения коллоидных растворов делят на физические и химические. Основным физическим методом служит замена растворителя. Если приготовить истинный раствор канифоли в спирте и добавлять его к воде, в которой канифоль очень плохо растворима, то молекулы канифоли конденсируются в частицы коллоидных размеров. При необходимости спирт можно удалить нагреванием. При химической конденсации для получения коллоидных растворов используют реакции, приводящие к образованию малорастворимых соединений, например: AgNO3 + KI [AgI] + KNO3 t FeCl3 + 3H2O [Fe(OH)3] + 3HCl 2HAuCl4 + 3H2O2 2[Au] + 8HCl + 3O2 Эти реакции надо проводить при избытке одного из реагентов, который выполняет роль стабилизатора образующихся коллоидных частиц. Диспергационные методы весьма разнообразны. Чаще всего используют: 1) механическое дробление с помощью шаровых и коллоидных мельниц в присутствии жидкой дисперсионной среды и стабилизатора; 2) ультразвуковое измельчение под действием ультразвуковых колебаний на смесь нерастворимого вещества и растворителя; 3) электрическое диспергирование, при котором с помощью электрической дуги, возникающей между двумя электродами, опущенными в воду, получают золи металлов; 4) химическое диспергирование (пептизация), которое заключается в химическом воздействии на осадок. Коллоидные растворы, полученные одним из этих методов, содержат примеси растворенных низкомолекулярных веществ и грубодисперсных частиц, наличие которых снижает устойчивость полученных систем. Для очистки коллоидных растворов от примесей используют: 1) фильтрацию через обычные бумажные фильтры; коллоидные растворы проходят через их поры, а примеси грубодисперсных частиц задерживаются фильтром; 2) диализ - удаление низкомолекулярных соединений с помощью мембран, пропускающих молекулы и ионы малого размера и задерживающих коллоидные частицы и макромолекулы большого размера; малые молекулы и ионы диффундируют через мембрану в непрерывно заменяемый растворитель и удаляются от диализируемого коллоидного раствора; 3) электродиализ, при котором для увеличения скорости диализа создают постоянно электрическое поле, способствующее движению ионов из коллоидного раствора в растворитель; 4) компенсационный диализ, который применяют для удаления не всех присутствующих низкомолекулярных веществ, а только их части; вместо чистого растворителя применяют раствор низкомолекулярных веществ, которые необходимо оставить в коллоидной системе, при этом диффундируют через мембрану в этот раствор все ионы кроме тех, которые в нем содержатся; 5) ультрафильтрация - продавливание разделяемой смеси под давлением через фильтры с узкими порами, пропускающими только молекулы и ионы низкомолекулярных веществ. Непременным условием получения устойчивого коллоидного раствора является наличие в нем стабилизатора. Роль стабилизатора могут выполнять: избыток одного из реагентов, используемых для получения вещества дисперсной фазы, ПАВ, белки, полисахариды и другие вещества. В лиофобных коллоидных растворах содержатся особые частицы - мицеллы. Они представляют собой микрокристалл дисперсной фазы, окруженный сольватированными ионами стабилизатора. Так, реакция между избытком KCl и AgNO3 протекает по уравнению: mAgNO3 + (m + n)KCl [mAgCl · nCl-] + nK+ + mKNO3 На образующихся микрокристаллах труднорастворимого в воде хлорида серебра (агрегате) в соответствии с правилом Панета - Фаянса - Пескова избирательно адсорбируются анионы Cl-, препятствуя сливанию микрокристаллов в более крупные образования. Адсорбированные анионы придают поверхности агрегата отрицательный заряд, поэтому они называются потенциалопределяющими ионами. Агрегат вместе с потенциалопределяющими ионами составляет твердую фазу мицеллы - ее ядро. Вблизи заряженной поверхности ядра силами электростатического притяжения группируются противоположные заряженные ионы (противоионы) - катионы K+. При этом часть катионов K+ плотно прилегает к поверхности ядра мицеллы, частично компенсируя его заряд ("связанные" противоионы), а остальные катионы K+ вследствие диффузии располагаются более рыхло ("свободные" противоионы). Потенциалопределяющие ионы вместе со "связанными" ионами" образуют адсорбционный слой. Агрегат вместе с адсорбционным слоем составляют гранулу, заряд которой обусловлен зарядом потенциалопределяющих ионов. Гранула вместе с окружающим ее слоем "свободных" противоионов составляет мицеллу. В отличие от гранулы мицеллы не имеет заряда и четких границ, поскольку "свободные" противоионы находятся в процессе постоянного обмена с аналогичными ионами в объеме дисперсионной среды. Строение образовавшейся мицеллы можно представить следующей схемой: потенциалопре- "связанные" "свободные"   деляющие ионы противоионы противоионы [mAgCl · nCl− · (n - x)K+]х− · xK+   агрегат адсорбционный слой   ядро плотный слой   гранула диффузный слой  мицелла Граница между твердой фазой (ядром) и жидкой фазой (противоионами) называется межфазной границей. Граница между гранулой и диффузным слоем называется границей скольжения, поскольку при наложении внешнего электрического поля гранула и ионы диффузного слоя начинают перемещаться к противоположно заряженным электродам. Если реакцию между AgNO3 и KCl проводить в избытке AgNO3, то строение мицеллы изменится. В роли потенциалопределяющих ионов выступят катионы Ag+, которые вместе с агрегатом - микрокристаллами труднорастворимого AgCl - составят твердую фазу - ядро мицеллы. Противоионами будут выступать анионы NO3-. Часть из них составит плотный слой вокруг ядра, а другая - диффузный слой. Гранула, состоящая из агрегата AgNO3 и адсорбционного слоя (потенциалопределяющих ионов Ag+ и "связанных" противоионов NO3-), будет иметь положительный заряд. Мицелла в целом электронейтральна, но при наложении внешнего постоянного электрического поля разделится на две части: положительно заряженная гранула начнет двигаться к отрицательному электроду (катоду), а отрицательные ионы диффузного слоя последуют к положительному электроду (аноду). Строение мицеллы: потенциалопре- "связанные" "свободные" деляющие ионы противоионы противоионы    [mAgCl · nAg+ · (n - x)NO3-]х+ · xNO3- агрегат адсорбционный слой     ядро плотный слой гранула диффузный слоймицелла Золь гидроксида железа (Ш) также можно получить в различных условиях. Если к свежеполученному осадку Fe(OH)3 добавлять небольшие количества FeCl3, то на частицах осадка избирательно адсорбируются ионы Fe3+, поэтому образующиеся гранулы золя несут положительный заряд: [mFe(OH)3 · nFe3+ · 3(n - x)Cl-]3х+ · 3xCl- Если же к осадку гидроксида железа добавлять небольшие количества HCl, осадок частично растворяется с образованием оксихлорида железа FeOCl: Fe(OH)3 + HCl ⇄ FeOCl + 2H2O FeOCl → FeO+ + Cl При этом строение мицеллы можно представить следующим образом: [mFe(OH)3 · nFeO+ · (n - x)Cl-]х+ · xCl- При подщелачивании осадка гидроксида железа можно получить золь с отрицательно заряженными гранулами: [mFe(OH)3 · nOH- · (n - x)Na+]х+ · xNa+ Во всех случаях формирования мицеллы поверхность твердого ядра и прилегающий слой жидкой фазы приобретают противоположные заряды, т.е. образуется двойной электрический слой (ДЭС) на границе раздела фаз. Со стороны жидкой фазы он включает плотный слой "связанных" противоионов, где заряд меняется довольно резко, и диффузный слой "свободных" противоионов, где изменение заряда происходит менее заметно. В ДЭС мицеллы различают два потенциала: электротермодинамический (межфазный) потенциал φмф на границе раздела между твердой и жидкой фазами и электрокинетический потенциал (ζ-потенциал) на границе скольжения между адсорбционной и диффузной частями (т.е. заряд гранулы). Значение межфазного потенциала определяется природой твердой фазы, зарядом и концентрацией потенциалопределяющих ионов. Величина ζ-потенциала (дзета-потенциала) зависит от толщины диффузного слоя. Чем больше заряд и концентрация противоионов, тем больше их находится в плотном адсорбционном слое и тем меньше в диффузном, следовательно, тем меньше ζ-потенциал. Значение электрокинетического потенциала определяет устойчивость коллоидных частиц к процессам, вызывающим их укрупнение. Мицеллы, образующие стабильные коллоидные растворы, имеют относительно высокое значение дзета-потенциала (50 - 70 мВ). При введении в коллоидную систему электролитов в строении ДЭС происходят изменения, что сказывается на величине электрокинетического потенциала и устойчивости дисперсной системы. Рассмотрим, какие изменения вызовет добавление к золю AgCl с отрицательно заряженной гранулой растворов KNO3, NaNO3, NaCl, AgNO3. Растворы KNO3 и NaNO3 представляют собой индифферентные электролиты по отношению к данному золю, т.е. не содержат ионов, способных достраивать кристаллическую решетку AgCl. При увеличении концентрации KNO3 катионы К+ будут переходить из диффузного слоя в адсорбционный, поэтому диффузный слой будет сжиматься, что приведет к снижению электрокинетического потенциала и устойчивости коллоидной системы. Добавление NaNO3 также вызовет накопление катионов в адсорбционном слое и его сжатие, причем ионы К+ будут обмениваться на ионы Na+ по механизму ионообменной адсорбции. Растворы NaCl и AgNO3 выступают в роли неиндифферентных электролитов по отношению к золю хлорида серебра, поскольку содержат ионы, способные достраивать кристаллическую решетку этого вещества. Добавление потенциалопределяющих ионов (Cl-), способствуя росту ядра, приведет к увеличению φмф и ζ –потенциалов, тогда как добавление катионов Na+, имеющих заряд, одинаковый с противоионами, будет сжимать диффузный слой, снижая значение ζ –потенциала. При малых концентрациях NaCl преобладает первая тенденция, при больших – вторая. Поэтому с увеличением добавленного количества NaCl значение ζ –потенциала будет увеличиваться, проходить через максимум и падать. Добавление ионов Ag+, способных достраивать кристаллическую решетку AgCl, но имеющих заряд противоположного знака по сравнению с потенциалопределяющими ионами золя, приведет к перезарядке ДЭС. Ионы Ag+ станут потенциалопределяющими, а ионы NO3- - противоионами. При этом φмф и ζ –потенциалы поменяют свой знак на противоположный. Разбавление дисперсной системы и увеличение температуры приведет к утолщению двойного электрического слоя и увеличению ζ –потенциала. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Рабочая программа учебной дисциплины диагностика и надежность автоматизированных систем В настоящее время растет сложность систем автоматизации и управления технологическими процессами. К надежности этих систем предъявляются... |  | Негосударственное Аккредитованное Частное Образовательное Учреждение... Распределенные объектные архитектуры программных систем. Многоуровневые приложения. Основные понятия архитектуры распределенных систем.... |
| Рабочая программа учебной дисциплины проектирование автоматизированных информационных систем Курс «Проектирование автоматизированных информационных систем» направлен на изучение современных методов и средств проектирования... | | Программа дисциплины "Специальные вопросы материаловедения низкоразмерных... Целью дисциплины является изучение инициированных высокоэнергетической радиацией процессов деградации и модифицирования структуры... |
| Исследование систем управления процесс определения организационной... Место исследований систем управления в комплексе дисциплин по теории и практке управления | | Краткие итоги Набор для практики Вопросы Упражнения Ос multics и "Эльбрус" от файловых систем в ос для пэвм; файлы последовательного и прямого доступа; директория, способы организации... |
| Институт информатики, иноваций и бизнес-систем Теоретические основы построения и функционирования информационных систем в производстве | | Ю. Ф. Филиппова ... |
| Рефератов по дисциплине «Организация ЭВМ и систем» Сравнительный анализ процессоров мобильных устройств и встраиваемых систем (Intel Atom, pxa, armx) | | Основные тенденции развития денежно-кредитных и финансовых систем стран СНГ Снг в части, относящейся к познанию современных тенденций развития национальных денежно-кредитных и финансовых систем государств... |
| Информация застройщикам о пожарной безопасности систем вентилируемых фасадов При проектировании и монтаже навесных фасадных систем необходимо руководствоваться следующими рекомендациями | | Программа учебной дисциплины «эксплуатация систем электроснабжения» Целью изучения дисциплины «Эксплуатация систем электроснабжения» является формирование у студентов профессиональных навыков по использованию... |
| Правительство Российской Федерации Государственное образовательное... Тема Сравнительный анализ экспертных систем и систем поддержки принятия решений | | Методические рекомендации по освоению учебной дисциплины «организация... М является усвоение базовых знаний о принципах организации современных ЭВМ и систем, на основе которых студенты могли бы самостоятельно... |
| Рабочая программа учебной дисциплинЫ «монтаж и эксплуатация оборудования... Целью освоения дисциплины «Монтаж и эксплуатация оборудования систем электроснабжения» является получение студентами базовых знаний... | | Российской Федерации Самарский государственный архитектурно-строительный... Иас – совокупности взаимоувязанных автоматизированных систем, объединенных общей целью функционирования |
