Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры естественнонаучного образования протокол №10 «27»
Скачать 0.99 Mb.
|
| Тема 3. Характеристика и свойства коллоидных систем (4 час), с использованием метода активного обучения – лекция беседа Цель: Изучить коллоидные системы Задачи:
План: 1. Коллоидные системы, их характеристика. 2. Свойства коллоидных систем. Классификацию дисперсных систем проводят на основании различных признаков: размера частиц, агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды, характеристик взаимодействия частиц. По степени дисперсности системы подразделяют на три типа: 1. Молекулярные или ионные растворы: а < 10 -9 м. Частицы этих систем представляют собой молекулы или ионы, а сами системы являются истинными растворами, обладающими кинетической и термодинамической устойчивостью. 2. Коллоидные системы: а =10 –7–10 –9 м. Это системы с хорошо развитой поверхностью раздела между фазами. Их частицы не оседают под действием силы тяжести, проходят через бумажные фильтры, но задерживаются растительными и животными мембранами. Благодаря малому размеру частиц и их непрерывному движению, эти системы кинетически устойчивы. Важной особенностью коллоидных систем является их высокая агрегативная устойчивость, которая проявляется в способности системы сохранять постоянной во времени степень дисперсности. Этот тип устойчивости связан с наличием на поверхности частиц двойного ионного и адсорбционно-сольватного слоев. Первый из них обусловливает электростатическое отталкивание одноименно заряженных частиц, а второй препятствует соприкосновению частиц и их слипанию. Однако, являясь высокодисперсными гетерогенными системами с высокоразвитой поверхностью раздела фаз, они обладают избытком поверхностной энергии, что объясняет их термодинамическую неустойчивость. Коллоидные системы прозрачны, рассеивают свет (опалесцируют). 3. Грубодисперсные системы: а >10 -7 м. Эти системы кинетически неустойчивы, под действием силы тяжести расслаиваются на две фазы. К таким системам относят: а) суспензии – взвеси глины, крахмала, муки, дрожжей в воде, холодное молоко; б) эмульсии – масло в воде, вода в нефти; в) пены – пивная, мыльная, противопожарная; г) дымы; д) пыли – сахарная, мучная, цементная и др. Таким образом, коллоидные системы занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубыми дисперсиями. По кинетическим свойствам дисперсной фазы дисперсные системы подразделяют на два класса: 1) свободнодисперсные – системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут свободно перемещаться (лиозоли, суспензии, эмульсии); 2) связанодисперсные – системы, в которых одна из фаз закреплена и не может перемещаться свободно (гели, студни, пены). По характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды коллоидные системы делят на две группы: лиофильные и лиофобные. Лиофобными называют коллоидные системы, у которых дисперсная фаза слабо взаимодействует с дисперсионной средой. К ним относятся золи сульфидов мышьяка, сурьмы, кадмия, золи благородных металлов. Лиофильными называют коллоидные системы, в которых дисперсная фаза активно взаимодействует с дисперсионной средой. Лиофильные коллоиды образуются при самопроизвольном растворении веществ в соответствующих растворителях. К ним относятся водные растворы белков, целлюлозы, крахмала, растворы каучуков в жидких углеводородах. СТРОЕНИЕ ЛИОФОБНЫХ ЗОЛЕЙ Коллоидные системы, в которых дисперсной фазой является не растворимое вещество, а дисперсионной средой жидкость, называют золями. Структурной единицей дисперсной фазы является мицелла, частица, состав которой зависит от условий получения золя. В качестве примера рассмотрим строение коллоидных частиц (мицелл) сульфата бария, полученного в реакции обмена между сульфатом калия и хлоридом бария: Na2SO4 + BaCl2 = BaSO4 + 2 NaCl. Для получения устойчивого золя необходимо, чтобы один из электролитов Na2SO4 или BaCl2 присутствовал в избытке в качестве стабилизатора. В этих условиях нерастворимое вещество не выпадает в осадок, а переходит в коллоидное состояние – образуется золь. Нерастворимое вещество, образовавшееся в результате реакции, называют зародышем или агрегатом и обозначают m BaSO4. Коэффициент m указывает число частиц вещества. Написав уравнение диссоциации вещества, взятого и избытке, определяют природу потенциалопределяющих ионов (ПОИ), которые адсорбируются непосредственно на зародыше согласно правилу Пескова – Фаянса: на твердой поверхности преимущественно адсорбируются ионы, имеющие общую с данной поверхностью атомную группировку. Другой ион электролита называют противоионом (ПИ). Например, Na2SO4 = 2 Na++ SO4 Потенциалопределяющие ионы, которые адсорбируются на зародыше, обозначаются n SO42-. Зародыш с потенциалопределяющими ионами образуют ядро мицеллы. Часть противоионов адсорбируется непосредственно на ядре и составляет адсорбционный слой противоионов, его обозначают 2 (n–х) Na+. Ядро с адсорбционным слоем противоионов составляет гранулу мицеллы или коллоидную частицу. Гранула имеет заряд, знак которого определяется знаком заряда потенциалопределяющих ионов, в данном случае его обозначают 2х. Заряд гранулы нейтрализуется противоионами диффузного слоя, число которых составит 2хNa+. Гранула вместе с диффузным слоем составляет мицеллу золя, которая не имеет заряда. Таким образом, схема строения мицеллы золя BaSO4, полученного в избытке Na2SO4, имеет вид: {[m BaSO4] n SO4 2- 2 (n-х) Na+ }-2х 2хNa+ агрегат ПОИ адсорбционный диффузный слой ПИ слой ПИ { ← ядро → } { ← гранула → } { ← мицелла → } Как следует из строения мицеллы BaSO4, на поверхности кристалла BaSO4 образовался двойной электрический слой (ДЭС). Потенциалопределяющие ионы адсорбционного слоя (n SO4 2-) образуют первый слой двойного электрического слоя, а все противоионы – его второй слой, ионы которого делятся на плотный адсорбционный слой 2 (n-х) Na+ и подвижный диффузный слой (2х Na+). Рассуждая подобным образом, можно записать формулу мицеллы в избытке BaCl2. Диссоциация BaCl2 = Ba2+ + 2 Cl–{[m BaSO4 ]n Ba2+ 2 (n-х) Cl–}+2х 2х Cl– { ← гранула → } { ← мицелла → } Мицеллы золей электронейтральны. Числа m,n,x изменяются в широких пределах в зависимости от условий получения золя. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ОЧИСТКИ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ ИЛИ СИСТЕМ Основными способами получения дисперсных систем являются диспергирование и конденсация. Метод диспергирования заключается в тонком измельчении твердых материалов или жидкостей и распределении их частиц в жидкой или газообразной среде, в результате чего образуются коллоиднодисперсные системы. Механическое диспергирование включает дробление веществ до частиц колоидных размеров. Физико-химическое диспергирование (пептизация) – это процесс превращения в коллоидную систему свежеприготовленного осадка с частицами коллоидной степени дисперсности. В этом случае не изменяется степень дисперсности частиц, а происходит их разъединение. Метод основан на действии электролитов-пептизаторов, способных хорошо адсорбироваться на поверхности частиц и сообщать им заряд. Вследствие приобретенного заряда частицы отталкиваются друг от друга, равномерно распределяются по объему раствора. Метод конденсации состоит в укрупнении частиц или агрегации молекул и ионов. Конденсация может быть физической и химической. В том и в другом случае метод конденсации основан на образовании в гомогенной среде новой фазы, имеющей коллоидную степень дисперсности частиц. К методам физической конденсации относят метод конденсации испаряющегося вещества при понижении температуры и метод замены растворителя. Последний метод основан на том, что растворитель в истинном растворе заменяется на другой, в котором это вещество не растворяется. К методам химической конденсации относятся процессы получения золей в ходе химических реакций различных типов: окисления- восстановления, гидролиза, обмена, разложения. Например, образование золя йодида серебра: AgNO3 +KI = KNO3+ AgI или золя серы: 3Na2S2O3 + H2SO4 = 3Na2SO4 + H2O + 4S В результате протекания подобных реакций в условиях малой концентрации реагирующих веществ вместо ожидаемого осадка образуется золь труднорастворимого вещества. Коллоидные системы, полученные методом химической конденсации, содержат примеси молекул и ионов электролитов. Для их очистки используют способность мелкопористых пленок (мембран) задерживать частицы дисперсной фазы. Метод основан на разнице размеров частиц и скорости диффузии истинно и коллоидно растворенных веществ через полупроницаемые перегородки и называется диализом. Прибор для очистки золей называется диализатором. В качестве полупроницаемых мембран используют пергамент, пленки из нитро- и ацетилцеллюлозы, коллодия и целлофана. Скорость диализа мала, но ее можно значительно увеличивать действием электрического тока на ионы растворенной примеси. Такой метод очистки называют электродиализом. Используя мелкопористые материалы, коллоидные системы можно концентрировать, продавливая их через ультрафильтры (полимерные пленки с размером пор 10-6–10-5 см). Этот метод называется ультрафильтрацией. СТРОЕНИЕ ДВОЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО CЛОЯ. ПОТЕНЦИАЛЫ ДЭС Независимо от механизма образования ДЭС непременным условием его возникновения является достаточно высокая плотность расположения зарядов в слое потенциалоопределяющих ионов. Электростатические силы притяжения такого слоя способствуют возникновению второго слоя из ионов противоположного знака. Образование двойного слоя ионов приводит к появлению электрических потенциалов на границе раздела твердой и жидкой фаз. Ионы первого слоя, фиксированные на твердой поверхности, придают этой поверхности свой знак заряда и создают на ней поверхностный или φ-потенциал. Знак φ-потенциала совпадает со знаком заряда ПОИ. Величина φ-потенциала пропорциональна числу зарядов этих ионов на поверхности частиц. Прямых методов его измерения не имеется. Второй потенциал, характеризующий двойной слой ионов, называют электрокинетическим или ζ - потенциалом (дзета – потенциалом). Он представляет собой электрический потенциал в двойном слое на границе между частицей, способной к движению в электрическом поле (гранулой) и окружающей жидкостью. Дзета – потенциал близок по величине потенциалу на границе адсорбционного и диффузного слоя противоионов. Благодаря наличию дзета – потенциала на границах скольжения частиц дисперсной фазы возникают одноименные заряды, и электростатические силы отталкивания препятствуют процессам агрегации. Таким образом, ζ – потенциал является одним из основных факторов агрегативной устойчивости гидрофобных золей. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ К молекулярно-кинетическим свойствам дисперсных систем относятся броуновское движение, диффузия, осмос. Броуновское движение – это непрерывное хаотическое движение частиц дисперсной фазы под действием ударов частиц дисперсионной среды. Диффузия – это самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц дисперсной фазы по всему объему системы под влиянием броуновского движения. Электрокинетические явления основаны на взаимосвязи между электрическими и кинетическими свойствами дисперсных систем. Если к коллоидной системе приложить разность потенциалов, то дисперсная фаза и дисперсионная среда двигаются в разных направлениях. Перемещение частиц дисперсной фазы в электрическом поле называют электрофорезом. При электрофорезе происходит направленное перемещение частиц дисперсной фазы в электрическом поле постоянного тока к электроду, знак которого противоположен знаку заряда коллоидных частиц. Противоионы диффузного слоя перемещаются при этом кпротивоположному электроду. Скорость движения частиц дисперсной фазы пропорциональна величине ζ – потенциала. Величина ζ – потенциала связана со скоростью электрофореза заряженных частиц уравнением Гельмгольца – Смолуховского: ζ =К η V/ ε X, где К – коэффициент, зависящий от формы частиц; η – вязкость среды; V – линейная скорость перемещения частиц; ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды; X – напряженность поля. Наблюдая электрофоретическое движение частиц, можно определить знак и величину ζ – потенциала. Перемещение дисперсной фазы через неподвижную мембрану под действием приложенного напряжения называют электроосмосом. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Оптические свойства дисперсных систем обусловлены их гетерогенностью и дисперсностью. На оптические свойства влияют структура, размер и форма частиц дисперсной системы. Прохождение света через дисперсную систему сопровождается следующими явлениями: преломлением, поглощением, отражением и рассеянием. Преобладание какого-либо из этих явлений зависит в основном от соотношения длины волны света и размера частиц дисперсной фазы. В грубодисперсных системах размер частиц больше длины волнывидимого света, поэтому световые лучи, проходящие через грубодисперсную систему, отражаются и преломляются на границе частиц со средой, обусловливая их мутность. В истинных растворах светорассеяние ничтожно мало, так как размер частиц дисперсной фазы очень мал и нет препятствий для прохождения лучей.Наиболее характерным оптическим свойством коллоидных систем является опалесценция (светорассеяние). Коллоидные частицы меньше длины волны света, поэтому рассеяние света обусловлено не отражением от поверхности частиц, а дифракцией. Рассеяние света было исследовано Тиндалем, который обнаружил, что при освещении коллоидного раствора световым пучком его путь при наблюдении сбоку имеет форму светящегося конуса – конуса Тиндаля. На интенсивности рассеяния лучей коротковолновой части спектра основано применение ламп синего цвета для светомаскировки и красного для сигналов опасности. Красный свет виден на большом расстоянии из-за малого светорассеяния. По этой причине противотуманные фары имеют оранжевую окраску. УСТОЙЧИВОСТЬ И КОАГУЛЯЦИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ Под устойчивостью дисперсной системы понимают постоянство во времени ее состояния и основных свойств: дисперсности, равномерного распределения частиц дисперсной фазы в объеме дисперсионной среды и характера взаимодействия между частицами. Н.П. Песков ввел понятие о двух видах устойчивости дисперсных систем: седиментационной (кинетической) и агрегативной. Седиментационная устойчивость позволяет сохранять равномерное распределение частиц в объеме. Основными условиями этой устойчивости являются высокая дисперсность и участие частиц дисперсной фазы в броуновском движении. Агрегативная устойчивость дисперсных систем – это способность сохранять во времени степень дисперсности. Причиной этого типа устойчивости является наличие одинакового заряда коллоидных частиц. Вопросы устойчивости дисперсных систем занимают важное место в коллоидной химии. Обладая большой суммарной площадью поверхности раздела фаз, дисперсные системы имеют избыток свободной поверхностной энергии G = σ S, где σ – поверхностное натяжение; S – суммарная площадь поверхности раздела фаз. Вследствие этого коллоидные системы термодинамически неустойчивы и стремятся перейти в более устойчивое состояние с меньшим значением G. Это возможно либо за счет уменьшения σ, либо уменьшения S (укрупнения частиц). Процесс объединения частиц дисперсной фазы в более крупные агрегаты, сопровождающиеся выпадением осадка труднорастворимого вещества, называют коагуляцией. Коагуляция протекает самопроизвольно, т.к. ведет к уменьшению суммарной поверхности и,следовательно, снижению поверхностной энергии. Факторами, вызывающими коагуляцию, могут быть: изменение температуры, действие света, различных излучений, механическое воздействие. Однако наиболее важным фактором является действие электролитов. Электролиты, добавленные к золям, быстро и резко влияют на величину φ и ζ – потенциалов,вызывая сжатие ДЭС. Закономерности влияния электролитов на процессы коагуляции установлены Шульце и Гарди и известны как правило Шульце – Гарди: коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет заряд, противоположный заряду гранулы; коагулирующее действие тем сильнее, чем выше заряд иона-коагулятора. Минимальная концентрация электролита, при которой данный электролит вызывает коагуляцию, называется порогом коагуляции. Его рассчитывают: γ = (Сэк . V) электролита / (V золя + V электролита) (моль/л), где Сэк – молярная концентрация эквивалентов электролита; V золя – объем золя (л); V электролита – объем электролита (л). Величина, обратная порогу коагуляции, называется коагулирующей способностью: Vк = 1/ γ (л/моль) Коагулирующая способность равна объему золя в литрах, скоагулированного одним молем электролита. Отношение порогов коагуляции для ионов разных зарядов было найдено теоретически Б.В.Дерягиным и Л.Д. Ландау, и названо законом шестой степени. Согласно закону Дерягина- Ландау, соотношение порогов коагуляции одно-, двух - и трехзарядных ионов имеет вид: γI: γII: γ III = (1/1)6 : (1/2)6 : (1/3)6 = 730 : 11 : 1 Правило Шульце – Гарди на основании опытных данных дает для тех же ионов соотношение 500 : 25 : 1. Таким образом, с увеличение зарядов ионов – коагуляторов порог коагуляции уменьшается, а коагулирующая способность возрастает. ЗНАЧЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ Коллоидные системы широко распространены в природе. Пыль, туман, табачный дым, золи металлов, их сульфидов и солей являются важнейшей составной частью животных и растительных организмов, например, белки, кровь, лимфа, углеводы находятся в коллоидном состоянии. Коллоидные системы занимают важное место в различных областях промышленности. Пищевая, текстильная, резиновая, кожевенная, лакокрасочная, мыловаренная, производство пластических масс, строительных материалов – все это связано с коллоидными системами. Из продуктов питания – это соки, мороженое, майонез, маргарин, бульоны, сливки и др. Основной составной частью почвы, влияющей на ее плодородие, являются почвенные коллоиды минеральные, органические и органоминеральные. Для борьбы с вредителями культурных растений широкоиспользуются суспензии и эмульсии различных веществ и аэрозоли – коллоидные системы с газообразной дисперсной средой. Литература Основная литература 1. Кругляков, П.М. Физическая и коллоидная химия: Учеб. пособие / П.М. Кругляков, Т.Н. Хаскова. –– М.: Высш. Шк., 2007. – 319 с. 2. Маринкина, Г.А. Физическая и коллоидная химия: практикум / Г.А. Маринкина, Н.П. Полякова, Ю.И. Коваль; Новосиб. Гос. Аграр. Ун-т. – Новосибирск: НГАУ, 2009. – 151 с. 3. Сумм, Б.Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие для вузов / Б.Д. Сумм. – М.: ACADEMIA, 2007. – 240 с. 4. Зельтина, Н.А. Физическая и коллоидная химия: метод. пособие и зад. Для контр. работ / Н.А. Зельтина, Г.А. Маринкина. – Новосибирск, 2006. – 47 с. 5. Зельтина, Н.А. Физическая и коллоидная химия: метод. пособие / Н.А. Зельтина, Г.А. Маринкина. – Новосибирск, 2006. – 65 с. Дополнительная литература 1. Евстратова, К.И. Физическая и коллоидная химия / К.И. Евстратова, Н.А. Купина, Е.Е.Малахова. – М.: Высшая школа, 1990. 2. Еремин, В.В. Физическая химия / В.В. Еремин, С.И. Коргов, И.А. Успенская. – М.: Экзамен, 2005. – 480 с. 3. Романцева, Л.М. Сборник задач и упражнений по общей химии / Л.М. Романцева, З.Л. Лещинская, В.А. Суханова. – М.: Высшая школа, 1991. 4. Хмельницкий, Р.А. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1988. 5. Шиманович, И.Е. Общая химия в формулах, определениях, схемах / И.Е. Шиманович, М.Л. Павлович и др. – Минск, 1996. 6. Ивашин С.А. Эквиваленты химических элементов и их соединений / С.А. Ивашин, Г.А. Маринкина, Т.М. Простякова. – Новосибирск, 1996. Электронные информационные образовательные ресурсы: http://znanium.com Горбунцова С. В. Физическая и коллоидная химия (в общественном питании): Учебное пособие. – М.: Альфа-М: ИНФРА-М, 2008. – 270 с. http://znanium.com Рабухин А.И. Физическая химия тугоплавких неметаллических и силикатных соединений: Учебник. – М.: ИНФРА-М, 2004. – 304 с. http://lib.uspi.ru/ Харитонов Ю.Я., Хачатурян М.А. Физическая и коллоидная химия: для высшего медицинского и фармацевтического образования. — М.: Русский врач, 2005. — Т. 13. Вопросы для самопроверки 1. Коллоидные системы, их характеристика. 2. Свойства коллоидных систем. 3. Способы получения и очистки коллоидных систем. |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры естественнонаучного... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта высшего... | | Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Направление — 050100. 68. Педагогическое образование Магистерская программа – Химическое образование Форма подготовки (очная) |
| Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Направление — 050100. 68. Педагогическое образование Магистерская программа – Химическое образование Форма подготовки (очная) | | Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Направление — 050100. 68. Педагогическое образование Магистерская программа – Химическое образование Форма подготовки (очная) |
| Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Направление — 050100. 68. Педагогическое образование Магистерская программа – Химическое образование Форма подготовки (очная) | | Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Направление — 050100. 68. Педагогическое образование Магистерская программа Химическое образование Форма подготовки (очная) |
| Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Направление — 050100. 68. Педагогическое образование Магистерская программа – Химическое образование Форма подготовки (очная) | | Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры естественнонаучного... Специальность — 050101. 65 «Химия с дополнительной специальностью 050102. 65 Биология» Форма подготовки (очная) |
| Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... История и методология химии Направление — 050100. 68. Педагогическое образование Магистерская программа Химическое образование Форма... | | Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры естественнонаучного... Специальность — 050102. 65 Биология с дополнительной специальностью 050706. 65 Педагогика и психология Форма подготовки (очная) |
| Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры естественнонаучного... Специальность — 050102. 65 Биология с дополнительной специальностью 050706. 65 Педагогика и психология Форма подготовки (очная) | | Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры естественнонаучного... Специальность — 050102. 65 Биология с дополнительной специальностью 050706. 65 Педагогика и психология Форма подготовки (очная) |
| Учебно-методический комплекс учебной дисциплины «русский язык и культура речи» Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден и утвержден на заседании кафедры прикладной лингвистики и образовательных технологий... | | Учебно-методический комплекс дисциплины Туризм, утвержденного приказом Министерства образования и науки РФ от 20. 01. 2006 г. №739гум/бак Учебно-методический комплекс дисциплины... |
 | Учебно-методический комплекс дисциплины Туризм, утвержденного приказом Министерства образования и науки РФ от 20. 01. 2006 г. №739гум/бак. Учебно-методический комплекс обсужден... | | Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры... Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
