Способы получения дисперсных систем. Получение дисперсных систем

ДИСПЕРГИРОВАНИЕ

Диспергирование может быть самопроизвольным и несамопроизвольным. Самопроизвольное диспергирование характерно для лиофильных систем. В отношении лиофобных систем самопроизвольноедиспергирование исключено, диспергированиев них возможно путем затраты определенной работы.

Диспергирование характеризуется степенью диспергирования ( a ) . Она определяется отношением размеров исходного продукта и частиц дисперсной фазы полученной системы.

a = d н /d к,(7.1)

d н ,d к - диаметр частиц до и после измельчения.

Работа W , необходимая для диспергирования твердого тела или жидкости, затрачивается на деформирование тела W д и на образование новой поверхности раздела фаз W а, которая измеряется работой адгезии. Деформирование является необходимой предпосылкой разрушения тела. Работа диспергирования определяется формулой:

W = W а + W д = * D B + k V (7.2)

* - величина, пропорциональная или равная поверхностному натяжению на границе раздела,

D B - увеличение поверхности раздела фаз в результате диспергирования,

V - объем исходного тела до диспергирования,

k - коэффициент, эквивалентный работе деформирования единицы объема тела.

При помощи методов коллоидной химии можно снижать затраты энергии, необходимые для диспергирования. К числу таких методов относится адсорбционное понижение прочности. В результате адсорбции ПАВ на внешней и внутренней поверхности твердого тела снижается межфазовое поверхностное натяжение, облегчается деформирование твердого тела.

Снижение энергии диспергированияможет быть достигнуто следующими методами:проведение процесса в жидкой среде, помол с одновременной вибрацией, применение ультразвукового метода.

ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ЗА СЧЕТ КОНДЕНСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Конденсационные методы : конденсация, десублимация, кристаллизация. Они основаны на образовании новой фазы в условиях пересыщенного состояния вещества в газовой или жидкой среде. При этом система переходит из гомогенной в гетерогенную. Конденсация и десублимация характерны для газовой, а кристаллизация - для жидкой среды.

Необходимое условие конденсации и кристаллизации - пересыщение и неравномерное распределение вещества в дисперсионной среде и образование центров конденсации (зародышей ).

Степень пересыщения b для раствора и пара можно выразить следующим образом:

b ж = с/с s , b п = р/р s (7.3)

р, с - давление пересыщенного пара и концентрация вещества в пересыщенном растворе, р s - равновесное давление насыщенного пара над плоской поверхностью, с s - равновесная растворимость, соответствующая образованию новой фазы.

Конденсации способствуют мельчайшие частички. Например, в качестве ядер конденсации водяного пара могут служить продукты сгорания самолетного топлива, частицы почвы и т.д..

Когда ядра конденсации отсутствуют, то капли могут существовать в переохлажденном состоянии. При конденсации паров в этих условиях будут образовываться не капли, а кристаллы. Процесс перехода газообразного вещества в твердое, минуя жидкое, состояние, называется десублимацией.

Сублимация - переход твердого вещества в газообразное, минуя жидкое.

В основе конденсационных методовлежатсамопроизвольные процессы, которыесопровождаются уменьшением энергии Гиббса.

При зарождении и образовании частиц из пересыщенного раствора или газовой фазы изменяется химический потенциал m , возникает поверхность раздела фаз, которая становится носителем избыточной свободной поверхностной энергии.

Конденсация бывает физическая и химическая.

Физическая конденсация - осуществляется при понижении температуры газовой среды, содержащей пары различных веществ.

Изотермическая перегонка : уменьшение размеров мелких частиц до их полного исчезновения и рост крупных частиц.

МЕМБРАНЫ И МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Мембраны - полупроницаемые перегородки, при помощи которых осуществляется осмос. Осмос - самопроизвольный процесс переноса растворителя (дисперсионной среды) через мембрану из растворителя (менее концентрированного или коллоидного раствора) в раствор (или в более концентрированный раствор).

Мембраны - тонкие пористые пленки, они являются двухмерными высокодисперсными системами.

Наиболее часто мембраны применяют для очистки жидкостей от примесей при помощи обратного осмоса (движение растворенных примесей через мембрану под действием внешнего давления)

Рис.7.2.Схема осмоса (а), обратного осмоса (б), ультрафильтрациии диализа (в)

1.дисперсионная среда (чистая жидкость) Ж, 2.коллоидный Т/Ж или истинный раствор, 3.мембрана, 4.поток чистой жидкости (растворителя), 5.поток примесей.

Если со стороны дисперсной системы 2 приложить давление Р, то поток жидкости из области 2 будет перемещаться в область 1.Через мембрану 3 проходят только молекулы растворителя (вследствие их большей подвижности). Содержимое области 1 будет обогащаться чистой жидкостью, а в области 2 сконцентрируются примеси.

Направление движения жидкости при обратном осмосе противоположно ее движению в случае осмоса.

Работа, необходимая для осуществления обратного осмоса, расходуется на продавливание жидкости через поры:

W ос = D рV (7.4)

D р - перепад давления по обе стороны мембраны,

V - объем жидкости, прошедшей через мембраны.

D р = Р - p (7.5)

Р - избыточное давление над раствором,

p - осмотическое давление.

Из равенства 7.5 следует, что Р > p . Это условие определяет избыточное давление, необходимое для осуществления обратного осмоса.

При помощи диализа (7.2, в) осуществляется очистка дисперсной системы от примесей в виде ионов или молекул. Дисперсную систему помещают в правую часть 2 сосуда, отделенную от левой части 1 мембраной 3. Мембрана проницаема для молекул и ионов, но задерживает частицы дисперсной фазы. Примеси в результате диффузии из области большей концентрации 2 самопроизвольно будут переходить в область меньшей концентрации 1.

Интенсифицировать очистку коллоидного раствора при помощи диализа можно путем приложения внешнего давления р (7.2, в). В этом случае процесс называют ультрафильтрацией.

Обратный осмос, диализ, ультрафильтрация используются для различный целей, но имеют много общего, используется аналогичная аппаратура.

Основной принцип действия мембран заключается в избирательной проницаемости, которая определяется размерами пор, свойствами очищаемых систем и внешним давлением.

Кроме очистки растворов мембраны способствуют равновесию электролитов в присутствии частиц или ионов, размеры которых не позволяют им проникать через поры, возникает так называемое мембранное равновесие , которое имеет практическое значение для растворов ВМС, в процессахнабухания веществ и в различных физиологических процессах.

Мембранная технология намного эффективней других аналогичных технологий, требует меньших энергетических затрат.

ПРИЧИНА МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Все молекулярно-кинетические свойства вызваны хаотичным тепловым движением молекул дисперсионной среды, которое складывается из поступательного, вращательного и колебательного движений молекул.

Молекулы обладают различной кинетической энергией. Тем не менее, при данной температуре среднее значение кинетической энергии молекул остается постоянным. Флуктуация значений кинетической энергии молекул дисперсионной среды является причиной молекулярно-кинетических свойств.

Молекулярно-кинетические свойства проявляются в жидкой и газообразной дисперсионной среде.

БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

Мельчайшие частицы незначительной массы испытывают неодинаковые удары со стороны молекул дисперсионной среды, на рисунке показана результирующая силаF , которая заставляет частицы двигаться.

Рис.7.3.Воздействие молекул дисперсионной среды на частицу дисперсной фазы.

Направление и импульс этой силы непрерывно меняются, поэтому частицы совершают хаотичное движение.

Определить направление результирующей силы и связать его с молекулярно-кинетическими свойствами среды удалось в 1907 году независимо друг от другаЭйнштейну и Смолуховскому.

В основу их расчетовбыл взят не истинный путь частиц, а сдвиг частиц (рис.7.4).

Путь частицы определяется ломаной линией, а сдвиг х характеризует изменение координаты частицы за определенный промежуток времени. Средний сдвиг будет определять среднеквадратичное смещение частицы:

(7.6)

х 1 , х 2 ,х i - сдвиги частицы за определенное время.

Теория броуновского движения исходит из представления о взаимодействии случайной силы f ( t ) , которая характеризует удары молекул и, и силы F t , зависящей от времени и силы трения при движении частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде со скоростью v . Уравнение броуновского движения (уравнение Ланжевена) имеет вид:

m (d v / d t ) + h v = F t + f ( t ) (7.7)

где m - масса частицы, h - коэффициент трения при движении частиц.

Для больших промежутков времени инерцией частиц, то есть членом m (d v / d t ) можно пренебречь. После интегрирования 7.7. при условии, что среднее произведение импульсов случайной силы равно нулю находят средний сдвиг:

(7.8)

где t - время, h - вязкость дисперсионной среды, r -радиус частиц дисперсной фазы.

Броуновское движение наиболее ярко выражено у высокодисперсных систем. Уяснение причин и разработка теории броуновского движения - блестящее доказательство молекулярной природы вещества.

ДИФФУЗИЯ

Диффузия - процесс самопроизвольного распространения вещества из области с большей концентрацией в область сменьшей концентрацией.

Виды диффузии :

1. молекулярная ;

2. ионная ;

3. диффузия коллоидных частиц.

Ионная диффузия связана с самопроизвольным перемещением ионов. Формирование диффузного слоя противоионов на поверхности частиц дисперсной фазы происходит по механизму ионной диффузии.

Диффузия высокодисперсионных коллоидных частиц показана на рис. 7.5. n 1 > n 2 . То есть диффузия идет снизу вверх. Диффузия характеризуется определенной скоростью перемещения вещества через поперечное сечение В, которая равна d m / d t .

На расстоянии D х разность концентраций составит n 2 - n 1 , это величина отрицательная.

d n / d х - градиент концентрации.

Скорость перемещения вещества:

d m = – D ·(d n / d x ) ·B d t (7.9)

D - коэффициент диффузии.

Уравнение 7.9 - основное уравнение диффузии в дифференциальной форме. Оно справедливо для всех видов диффузии.в интегральной форме применимо для двух процессов: стационарного и нестационарного .

Для стационарного процесса градиент концентраций постоянен. Интегрируя 7.9., получим:

m = – D (d n / d x ) B t - первый закон Фика (7.10)

Физический смысл коэффициента диффузии : если-d n / d x = 1, В = 1, t = 1, то m = D , то есть коэффициент диффузии численно равен массе диффундирующего вещества, когда градиент концентраций, площадь сечения диффузионного потока, время равны единице.

Коллоидные частицы характеризуются минимальным коэффициентом диффузии.

Количественно диффузия определяется коэффициентом диффузии , который связан со средним сдвигом:

х -,2 = 2D r , r = х -,2 /(2D t ) (7.11)

D = k T / (6 p h r ) (7.12)

k = R / N А .

Из этой формулы видно, что коэффициент диффузии зависит и от формы частиц, таким образом, зная коэффициент диффузии, можно определить размер частиц дисперсной фазы.

ОСМОС

При разделении двух растворов различной концентрации полупроницаемой перегородкой возникает поток растворителя от меньшей концентрации к большей. Этот процесс называется осмосом.

1 - сосуд с раствором, 2 - емкость с чистой жидкостью, 3 -полупроницаемая перегородка (мембрана).

Термодинамическое объяснение осмоса:

Химический потенциал чистой жидкости m 2 превышает химический потенциал той же жидкости в растворе m 1 .Процесс идет самопроизвольно в сторону меньшего химического потенциала до тех пор, пока произойдет выравнивание химических потенциалов.

В результате перемещения жидкости в емкости 1 создается избыточное давление p , называемое осмотическим . Растворитель, проникающий в область 1, поднимают уровень жидкости на высоту Н, что компенсирует давление чистого растворителя.

Осмотическое давление - избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану.

Осмотическое давление равно тому давлению, которое производила бы дисперсная фаза, если бы она в виде газа при той же температуре занимала тот же объем, что и коллоидная система (раствор). Осмотическое давление возникает самопроизвольно, как следствие молекулярно-кинетических свойств дисперсионной среды.

Осмотическое давление для идеальных растворов неэлектролитов:

p V = R T l n (1 – x ) (7.13)

V - молярный объем растворителя, х - мольная доля растворенного вещества.

В случае разбавленных растворов неэлектролитов:

p V = n R T (7.14)

где n - число молей растворенного вещества.

Если масса растворенного вещества = q , масса =М, то n = q /М, то:

p = n (R T /V ) = (q /V )(R T /V )(7.15)

М= m N А, m = 4/3 p r 3 r (7.16)

r - плотность частиц, m - молекулярная масса частиц дисперсной фазы, r - радиус частиц дисперсной фазы.

Тогда:

(7.17)

Из этой формулы следует, что осмотическое давление прямо пропорционально концентрации дисперсной фазы и обратно пропорционально размеру этих частиц.

Осмотическое давление коллоидных растворов незначительно.

СЕДИМЕНТАЦИЯ

Седиментация - оседание частиц дисперсной фазы, обратная седиментация - всплывание частиц.

На каждую частицу в системе действует сила тяжести и подъемная сила Архимеда:

F g = m g = v g r иF А = v g r 0 (7.18)

где r , r 0 - плотность частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды,m - масса частицы, v - объем частицы, g - ускорение свободного падения.

Эти силы постоянны и направлены в разные стороны. Равнодействующая сила, вызывающая седиментацию, равна:

F сед = F g -F А = v ( r - r 0 ) g (7.19)

Если r > r 0 , то частица оседает, если наоборот, то всплывает.

При ламинарном движении частицы возникает сопротивление - сила трения:

F тр = Вu (7.20)

В - коэффициент трения, u - скорость движения частицы.

Сила, действующая на частицу во время движения:

F = F сед - F тр = v g (r - r 0 ) – Вu (7.21)

С ростом скорости при достаточно большом коэффициенте трения наступает момент, когда сила трения достигает силы, вызывающей седиментацию и движущая сила будет равна нулю. После этого скорость движения частицы становится постоянной:

u = v g (r (7.23)

Зная величины, входящие в уравнение, легко можно найти радиус частиц дисперсной фазы.

Способность к седиментации выражают через константу седиментации :

S сед = u /g (7.24)

Явление седиментации широко используется в различных отраслях промышленности, в том числе часто применяется для анализа дисперсных систем.

Получение дисперсных систем связано в первую очередь с получением дисперсных частиц. Нужно решить следующие задачи:

1) распределить дисперсные частицы в дисперсионной среде до необходимой концентрации;
2) стабилизировать дисперсную систему, чтобы сохранить ее структуру и свойства в течение достаточно длительного времени;
3) провести очистку дисперсной системы от различных примесей.

Эти задачи решают в зависимости от специфики (типа) той или иной дисперсной системы.

Получение дисперсных систем

Эмульсии. Поскольку эмульсии -- грубодисперсные системы, их обычно получают диспергационным методом. Жидкости, которые должны образовать эмульсию, интенсивно перемешивают или подвергают воздействию механических вибраций или ультразвука. Чтобы получить капли одинакового размера (т.е. монодисперсную систему), проводят гомогенизацию. Этот процесс заключается в продавливании жидкости дисперсной фазы в дисперсионную среду через небольшие отверстия требуемого диаметра под большим давлением. Такой прием используют, например, при обработке молока. В результате гомогенизации средний размер капель жира уменьшается примерно от 1 --3 до 0,1 --0,2 мкм.

Эмульсии получают также конденсационными методами (обычно -- заменой растворителя).

Самостоятельную задачу представляет получение высококонцентрированных эмульсий. К ним относят эмульсии с концентрацией дисперсной фазы более 74 об. %, вплоть до 99 об. %. Капли дисперсной фазы в таких эмульсиях, имеющие форму многогранных призм, разделены тонкими пленками жидкой дисперсионной среды.

Концентрированные эмульсин могут обладать механическими свойствами твердых тел -- прочностью и упругостью.

Специфика приготовления концентрированных эмульсий заключается в том, что дисперсная фаза вводится в дисперсионную жидкую среду небольшими порциями при интенсивном перемешивании.

Пены. Как и эмульсии, пены -- грубодисперсные системы. Поэтому во многих технологических процессах пены получают теми же диспергационными методами, которые применяют для получения газовых пузырьков.

Конденсационные методы получения пен основаны на пересыщении раствора газа в данной жидкости при соответствующем изменении температуры или давления. Используют также химические реакции с выделением газа. В качестве примера приведем реакцию, лежащую в основе приготовления пены в огнетушителях:

NaHCO 3 + HCl > NaCl + H 2 O+ СО 2 ^

Еще один конденсационный метод получения пен основан на использовании микробиологических процессов.

Коллоидные растворы. Получают коллоидные растворы (золи) различными конденсационными методами. Для получения высокодисперсных золей необходимо обеспечить выполнение следующего условия: скорость образования твердых частиц должна во много раз превышать скорость их роста. Чтобы выполнить это условие, при получении дисперсных частиц с помощью химических реакций часто используют такой способ: концентрированный раствор одного компонента вливают в небольшом количестве в сильно разбавленный раствор другого компонента при очень интенсивном перемешивании.

Гели. Приведенные выше системы являются свободнодисперсными. Получение связнодисперсных систем имеет определенную специфику. Рассмотрим в качестве примера получение гелей. Обычно их получают из коллоидных растворов (золей). При определенных условиях дисперсные частицы слипаются друг с другом -- происходит процесс коагуляции.

Если частицы имеют анизодиаметричсскую форму (стержни, эллипсоиды), то они соединяются преимущественно своими концами и образуют пространственную структуру (сетку), в ячейках которой находится жидкая дисперсионная среда. Процесс превращения золей в гели называют золь--гель-переход. Он имеет важное значение в нанотехнологии. Таким образом, гели, как и концентрированные эмульсии, иногда могут быть биконтинуальными дисперсными системами.

Свойства гелей весьма эффективно регулируют, изменяя концентрацию дисперсной фазы и форму дисперсных частиц. Еще один важный фактор -- температура: ее повышение затрудняет образование контактов между дисперсными частицами и поэтому прочность гелей снижается.

Методы получения дисперсных систем, их классификация и краткая характеристика. Какой метод получения дисперсных систем с термодинамической точки зрения наиболее выгоден?

Метод диспергирования. Заключается в механическом дроблении твердых тел до заданной дисперсности; диспергирование ультразвуковыми колебаниями; электрическое диспергирование под действием переменного и постоянного тока. Для получения дисперсных систем методом диспергирования широко используют механические аппараты: дробилки, мельницы, ступки, вальцы, краскотерки, встряхиватели. Жидкости распыляются и разбрызгиваются с помощью форсунок, волчков, вращающихся дисков, центрифуг. Диспергирование газов осуществляют главным образом с помощью барботирования их через жидкость. В пенополимерах, пенобетоне, пеногипсе газы получают с помощью веществ, выделяющих газ при повышенной температуре или в химических реакциях.

Несмотря на широкое применение диспергационных методов, они не могут быть применимы для получения дисперсных систем с размером частиц -100 нм. Такие системы получают кондесационными методами.

В основе конденсационных методов лежит процесс образования дисперсной фазы из веществ, находящихся в молекулярном или ионном состоянии. Необходимое требование при этом методе - создание пересыщенного раствора, из которого должна быть получена коллоидная система. Этого можно достичь при определенных физических или химических условиях.

Физические методы конденсации:

1) охлаждение паров жидкостей или твердых тел при адиабатическом расширении или смешивании их с большим объемом воздуха;

2) постепенное удаление (выпаривание) из раствора растворителя или замена его другим растворителем, в котором диспергируемое вещество хуже растворяется.

Так, к физической конденсации относится конденсация водяного пара на поверхности находящихся в воздухе твердых или жидких частиц, ионов или заряженных молекул (туман, смог).

Замена растворителя приводит к образованию золя в тех случаях, когда к исходному раствору добавляют другую жидкость, которая хорошо смешивается с исходным растворителем, но является плохим растворителем для растворенного вещества.

Химические методы конденсации основаны на выполнении различных реакций, в результате которых из пересыщенного раствора осаждается нерастворенное вещество.

В основе химической конденсации могут лежать не только обменные, но и окислительно-восстановительные реакции, гидролиза и т.п.

Дисперсные системы можно также получить методом пептизации, который заключается в переводе в коллоидный «раствор» осадков, частицы которых уже имеют коллоидные размеры. Различают следующие виды пептизации: пептизацию промыванием осадка; пептизацию поверхностно - активными веществами; химическую пептизацию.

Например, свежеприготовленный и быстро промытый осадок гидроксида железа переходит в коллоидный раствор красно-бурого цвета от добавления небольшого количества раствора FeCl 3 (адсорбционная пептизация) или HCl (диссолюция).

Механизм образования коллоидных частиц по методу пептизации изучен довольно полно: происходит химическое взаимодействие частиц на поверхности по схеме:

С точки зрения термодинамики, наиболее выгодным является метод диспергирования.

1) Коэффициент диффузии для сферической частицы рассчитывается по уравнению Эйнштейна:

где N А - число Авогадро, 6 10 23 молекул/моль;

Вязкость дисперсионной среды, Н · с/м 2 (Па · с);

r - радиус частицы, м;

R - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль · К;

T - абсолютная температура, К;

Число 3,14.

2) Среднее квадратичное смещение:

где? ?? ???среднее квадратичное смещение (усредненная величина сдвига) дисперсной частицы, м 2 ;?

Время, за которое происходит смещение частицы (продолжительность диффузии), с;??

D ?? коэффициент диффузии, м 2 . с -1 .

? ? ????·D·?=2*12,24*10 -10 *5=12,24*10 -9 м 2

Ответ: ? ? ?? 12,24*10 -9 м 2 .

9. Определить изменение изобарно-изотермического потенциала реакции N 2(г) + 2Н 2 О (ж) = NH 4 NO 2 (ж) и дать заключение о направлении ее протекания при стандартных условиях, если для Н 2 О (ж) равна – 237,4 кДж/моль, а для NH 4 NO 2(ж) равна – 115,8 кДж/моль.

Изменение изобарно-изотермического потенциала меньше 0, следовательно, процесс может протекать самопроизвольно в сторону прямой реакции.

14. Определить молекулярность и порядок химической реакции на конкретных примерах.

Молекулярность реакции определяется минимальным числом молекул, одновременно участвующих в элементарном акте данной реакции. Молекулярность и порядок реакции численно совпадают только для простейших реакций. Для сложных процессов эти характеристики реакции будут отличаться (порядок реакции меньше ее молекулярности). Следовательно, формальное понятие о порядке реакции в большинстве случаев не отражает ее сложного механизма, т.е. наличия нескольких промежуточных элементарных реакций (стадий). Однако знание экспериментального порядка реакции позволяет судить о ее предполагаемом механизме путем сопоставления расчетных и экспериментально наблюдаемых значений величины n. Когда порядок реакции, найденный экспериментально, не соответствует числу моль реагентов, участвующих в реакции, то это говорит о том, что реакция не является элементарным процессом, а протекает по сложному механизму. Для сложного механизма скорость суммарной реакции определяется скоростью наиболее медленной стадии многоступенчатого процесса. Таким образом, если реакция протекает в одну стадию, то порядок ее равен молекулярности; если реакция протекает в несколько стадий, то порядок каждой из стадий реакции равен молекулярности только этой стадии. Следовательно, экспериментальное определение порядка реакции может служить методом изучения ее механизма.

Если для осуществления элементарного акта необходима всего одна частица (молекула), то такая реакция называется мономолекулярной.

Для элементарного процесса с одновременным участием двух частиц реакция будет называться бимолекулярной и т.д.

Например:

Реакция мономолекулярна, порядок реакции равен 1/3.

С (т) + Н 2 О (г) СО (г) + Н 2 (г)

Реакция бимолекулярна, порядок реакции равен 2/2= 1.

Реакция тримолекулярна, порядок реакции равен 2/3 (из трех молекул реагирующих веществ получают две молекулы продукта реакции).

29. Изменение свободной энергии, сопровождающее химическую реакцию, ее связь с константой равновесия. Расчет теплового эффекта реакции.

Изменение свободной энергии Гиббса, или изменение изобарно-изотермического потенциала - это та максимальная часть энергии системы, которая в данных условиях может превратиться в полезную работу. При реакция протекает самопроизвольно.

В соответствии с законом действующих масс для произвольной реакции

а A + b B = c C + d D (1)

уравнение скорости прямой реакции можно записать:

, (2)

а для скорости обратной реакции

. (3)

По мере протекания реакции (1.33) слева направо концентрации веществ А и В будут уменьшаться и скорость прямой реакции будет падать. С другой стороны, по мере накопления продуктов реакции C и D скорость реакции справа налево будет расти. Наступает момент, когда скорости υ 1 и υ 2 становятся одинаковыми, концентрации всех веществ остаются неизменными, следовательно,

Откуда K c = k 1 / k 2 = .

Постоянная величина К с, равная отношению констант скоростей прямой и обратной реакций, количественно описывает состояние равновесия через равновесные концентрации исходных веществ и продуктов их взаимодействия (в степени их стехиометрических коэффициентов) и называется константой равновесия. Константа равновесия является постоянной только для данной температуры, т.е. К с = f (Т). Константу равновесия химической реакции принято выражать отношением, в числителе которого стоит произведение равновесных молярных концентраций продуктов реакции, а в знаменателе – произведение концентраций исходных веществ.

Если компоненты реакции представляют собой смесь идеальных газов, то константа равновесия (К р) выражается через парциальные давления компонентов:

K p = . (5)

Из уравнения (6) следует, что К р = К с при условии, если реакция идет без изменения числа моль в газовой фазе, т.е. когда (с + d) = (a + b).

Если реакция (1) протекает самопроизвольно при постоянных Р и Т или V и Т, то значения G и этой реакции можно получить из уравнения:

где Р А, Р В, Р С, Р D – парциальные давления исходных веществ и продуктов реакции.

Уравнение (7) называются уравнениями изотермы химической реакции Вант-Гоффа. Это соотношение позволяет рассчитать значения G и F реакции, определить ее направление при различных концентрациях исходных веществ.

Необходимо отметить, что как для газовых систем, так и для растворов, при участии в реакции твердых тел (т.е. для гетерогенных систем) концентрация твердой фазы не входит в выражение для константы равновесия, поскольку эта концентрация практически постоянна. Так, для реакции

2 СО (г) = СО 2 (г) + С (т)

константа равновесия записывается в виде

Зависимость константы равновесия от температуры (для температуры Т 2 относительно температуры Т 1) выражается следующим уравнением Вант-Гоффа:

, (8)

гдеН 0 – тепловой эффект реакции.

34. Осмос, осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа и осмотический коэффициент.

Осмос – самопроизвольное движение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую растворы разной концентрации, из раствора меньшей концентрации в раствор с более высокой концентрацией, что приводит к разбавлению последнего. В качестве полупроницаемой мембраны, через маленькие отверстия которой могут селективно проходить только небольшие по объему молекулы растворителя и задерживаются крупные или сольватированные молекулы или ионы, часто служит целлофановая пленка – для высокомолекулярных веществ, а для низкомолекулярных – пленка из ферроцианида меди. Процесс переноса растворителя (осмос) можно предотвратить, если на раствор с большей концентрацией оказать внешнее гидростатическое давление (в условиях равновесия это будет так называемое осмотическое давление, обозначаемое буквой ). Для расчета значения  в растворах неэлектролитов используется эмпирическое уравнение Вант-Гоффа:

= C · R · T,

где С – моляльная концентрация вещества, моль/кг;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль · К.

Величина осмотического давления пропорциональна числу молекул (в общем случае числу частиц) одного или нескольких веществ, растворенных в данном объеме раствора, и не зависит от их природы и природы растворителя. В растворах сильных или слабых электролитов общее число индивидуальных частиц увеличивается вследствие диссоциации молекул, поэтому в уравнение для расчета осмотического давления необходимо вводить соответствующий коэффициент пропорциональности, называемый изотоническим коэффициентом.

i · C · R · T,

где i – изотонический коэффициент, рассчитываемый как отношение суммы чисел ионов и непродиссоциировавших молекул электролита к начальному числу молекул этого вещества.

Так, если степень диссоциации электролита, т.е. отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества, равна  и молекула электролита распадается при этом на n ионов, то изотонический коэффициент рассчитывается следующим образом:

i = 1 + (n – 1) · ,(i > 1).

Для сильных электролитов можно принять  = 1, тогда i = n, и коэффициент i (также больше 1) носит название осмотического коэффициента.

Явление осмоса имеет большое значение для растительных и животных организмов, поскольку оболочки их клеток по отношению к растворам многих веществ обладают свойствами полупроницаемой мембраны. В чистой воде клетка сильно набухает, в ряде случаев вплоть до разрыва оболочки, а в растворах с высокой концентрацией солей, наоборот, уменьшается в размерах и сморщивается из-за большой потери воды. Поэтому при консервировании пищевых продуктов к ним добавляется большое количество соли или сахара. Клетки микроорганизмов в таких условиях теряют значительное количество воды и гибнут.

Осмотическое давление обеспечивает движение воды в растениях за счет различия осмотических давлений между клеточным соком корней растений (5-20 бар) и почвенным раствором, дополнительно разбавляемом при поливе. Осмотическое давление обусловливает в растении подъем воды от корней до вершины. Таким образом, клетки листьев, теряя воду, осмотически всасывают ее из клеток стебля, а последние берут ее из клеток корня.

49. Рассчитать ЭДС медно-цинкового гальванического элемента, в котором концентрация ионов С u 2 + равна 0,001 моль/л, а ионов Zn 2+ 0,1 моль/л. При расчетах учтите стандартные значения ЭДС:

ε о (Zn 2+ /Zn 0) = – 0,74 В и ε о (Cu 2 + /Cu 0) = + 0,34 В.

Для расчета величины ЭДС используется уравнение Нернста

54. Методы получения дисперсных систем, их классификация и краткая характеристика. Какой метод получения дисперсных систем с термодинамической точки зрения наиболее выгоден?

В основе конденсационных методов лежит процесс образования дисперсной фазы из веществ, находящихся в молекулярном или ионном состоянии. Необходимое требование при этом методе – создание пересыщенного раствора, из которого должна быть получена коллоидная система. Этого можно достичь при определенных физических или химических условиях.

Физические методы конденсации:

Дисперсные системы можно также получить методом пептизации, который заключается в переводе в коллоидный «раствор» осадков, частицы которых уже имеют коллоидные размеры. Различают следующие виды пептизации: пептизацию промыванием осадка; пептизацию поверхностно – активными веществами; химическую пептизацию.

Далее агрегат адсорбирует ионы Fe +3 или FeO + , последующие образуются в результате гидролиза FeCl 3 и ядро мицеллы получает положительный заряд. Формулу мицеллы можно записать в виде:

С точки зрения термодинамики, наиболее выгодным является метод диспергирования.

1) Коэффициент диффузии для сферической частицы рассчитывается по уравнению Эйнштейна:

где N А – число Авогадро, 6 10 23 молекул/моль;

h – вязкость дисперсионной среды, Н · с/м 2 (Па · с);

r – радиус частицы, м;

R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль · К;

T – абсолютная температура, К;

число 3,14.

2) Среднее квадратичное смещение:

  ·D·

где   среднее квадратичное смещение (усредненная величина сдвига) дисперсной частицы, м 2 ;

время, за которое происходит смещение частицы (продолжительность диффузии), с;

D  коэффициент диффузии, м 2 . с -1 .

  ·D·=2*12,24*10 -10 *5=12,24*10 -9 м 2

Ответ:    12,24*10 -9 м 2 .

74. Поверхностно-активные вещества. Описать причины и механизм проявления их поверхностной активности.

При малых концентрациях ПАВ образуют истинные растворы, т.е. частицы диспергированы а них до отдельных молекул (или ионов). по мере увеличения концентрации возникают мицеллы. в водных растворах органические части молекул в мицеллах объединяются в жидкое углеводородное ядро, а полярные гидратированные группы находятся в воде, при этом общая площадь контакта гидрофобных частей молекул с водой резко сокращается. Благодаря гидрофильности полярных групп, окружающих мицеллу, поверхностное (межфазное) натяжение на границе ядро-вода понижено до значений, обеспечивающих термодинамическую устойчивость таких агрегатов по сравнению с молекулярным раствором и макрофазой ПАВ.

При малых мицеллярных концентрациях образуются сферические мицеллы (мицеллы Гартли) с жидким аполярным ядром.

Поверхностная активность связана с химическим составом вещества. Она, как правило, увеличивается с уменьшением полярности ПАВ (для водных растворов).

Согласно Ленгмюру, при адсорбции полярная группа, обладающая большим сродством к полярной фазе, втягивается в воду, а углеводородный неполярный радикал выталкивается наружу. происходящее при этом уменьшение энергии Гиббса ограничивает размеры поверхностного слоя толщиной в одну молекулу. при этом образуется так называемый мономолекулярный слой.

В зависимости от строения молекулы ПАВ подразделяются на неионогенные, построенные на основе эфиров, включающих этоксигруппы, и ионогенные – на основе органических кислот и оснований.

Ионогенные ПАВ диссоциируют в растворе с образованием поверхностно-активных ионов, например:

Если при диссоциации образуются поверхностно – активные анионы, ПАВ называют анионоактивными (соли жирных кислот, мыла). Если при диссоциации образуются поверхностно-активные катионы, ПАВ называют катионно-активными (соли первичных, вторичных и третичных аминов).

Существуют ПАВ которые в зависимости от рН раствора могут быть как катионноактивными, так и аниноактивными (белки, аминокислоты).

Особенность молекул ПАВ заключается в том, что они обладают большой поверхностной активностью по отношению к воде, что отражает сильную зависимость поверхностного натяжения водного раствора ПАВ от его концентрации.

При малых концентрациях ПАВ адсорбция пропорциональна концентрации.

Поверхностная активность связана с химическим составом вещества. Она, как правило, увеличивается с уменьшением полярности ПАВ (для водных растворов). Например, для карбоновых кислот величина активности выше, чем для их солей.

При исследовании гомологических рядов была обнаружена четкая зависимость активности от длины углеводородного радикала.

На основании большого количества экспериментального материала в конце 19 века Дюкло и Траубе сформулировали правило: поверхностная активность в ряду гомологов увеличивается в 3-3,5 раза при увеличении углеводородной цепи на одну СН 2 группу.

По мере увеличения концентрации адсорбция на поверхности жидкости сначала резко возрастает, а затем приближается к некоторому пределу, называемому предельной адсорбцией.

На основании этого факта и большого числа исследований, Ленгмюр выдвинул представление об ориентации молекул в поверхностном слое. Согласно Ленгмюру, при адсорбции полярная группа, обладающая большим сродством к полярной фазе – воде, втягивается в воду, а углеводородный неполярный радикал выталкивается наружу. Происходящее при этом уменьшение энергии Гиббса ограничивает размеры поверхностного слоя толщиной в одну молекулу. При этом образуется так называемый мономолекулярный слой.

Мономолекулярные пленки на поверхности воды могут находиться в трех состояниях: газообразном, жидком и твердом. Жидкие и твердые поверхностные пленки называются также конденсированными.

Если силы, действующие между молекулами в пленке, сравнительно невелики, то молекулы ПАВ свободно распределяются по поверхности воды, максимально удаляясь друг от друга, что обусловливает поверхностное давление, действующее в направлении, противоположном поверхностному натяжению, такую пленку можно считать двумерным газом, так как молекулы этого газа не могут оторваться от поверхности воды и могут двигаться только в двух измерениях. К веществам, образующим на воде двумерные газообразные пленки, относятся, например, жирные кислоты с числом углеводородных атомов от 12 до 20-22, алифатические спирты и амины с не очень большой молекулярной массой.

Если тангенциально действующие силы между углеводородными радикалами молекул ПАВ в поверхностной пленке велики, то молекулы слипаются, образуя крупные конденсированные «острова», в которых тепловое движение молекул затруднено. В таких «островах» молекулы обычно ориентируются параллельно друг другу и перпендикулярно поверхности воды. Следует, однако, заметить, что, например, при повышении температуры конденсированные пленки могут переходить в газообразные.

Конденсированные пленки обычно жидкие, и молекулы в них перемещаются довольно свободно. если же силы взаимодействия между радикалами настолько велики, что молекулы не могут перемещаться, то конденсированные пленки можно рассматривать как твердые. Такие пленки образуют карбоновые кислоты с числом углеродных атомов более 20-24.

О наличии у поверхностных пленок свойств твердого тела можно убедиться, напыляя на поверхность порошок. Если пленка твердая, то при осторожном сдувании порошок остается неподвижным, если жидкая -порошок перемещается по поверхности.

Следует отметить, что помимо газообразных и конденсированных пленок существуют еще так называемые растянутые пленки, занимающие промежуточное положение.

Такие пленки могут образовываться из конденсированных при повышении температуры. Полагают, что в растянутых пленках углеводородные радикалы молекул ПАВ не ориентированы параллельно, а переплетены между собой, лежат «плашмя» на воде, что препятствует неограниченному растеканию пленки, в то время как полярные группы относительно свободно перемещаются в поверхностном слое.

Способность веществ образовывать те или иные пленки для ионогенных ПАВ зависит от рН раствора. Высшие жирные кислоты в кислых и нейтральных растворах (т.е. при практически недиссоциированных группах) при определенной температуре дают на поверхности раздела с воздухом растянутые пленки. При той же температуре в щелочной среде на поверхности раствора образуются газообразные пленки, что обусловлено отталкиванием одноименных зарядов соседних групп, появившихся в результате их диссоциации.

89. Написать формулу строения мицеллы золя, образованного в результате взаимодействия указанных веществ(избытка одного, затем другого вещества): CdCl 2 + Na 2 S ; FeCl 3 + NaOH . Назвать составляющие компоненты мицеллы.

1) CdCl 2 + Na 2 S

Избыток CdCl 2 дает мицеллу:

[ (CdCl 2) Cd 2+ · Cl – ] + x Cl –

зародыш: (CdCl 2)

ядро: [ (CdCl 2) Cd 2+

гранула: [ (CdCl 2) Cd 2+ · Cl – ] +

Избыток Na 2 S дает мицеллу:

– x Na +

зародыш: (NaCl)

ядро: (NaCl) 2 Cl -

гранула: [ (CdCl 2) Cd 2+ · Cl – ] +

2) FeCl 3 + NaOH

Избыток FeCl 3 дает мицеллу:

[ (FeCl 3) Fe 3+ · 2Cl – ] + x Cl –

зародыш: (FeCl 3)

ядро: (FeCl 3) Fe 3+

гранула: [ (FeCl 3) Fe 3+ · 2Cl – ] +

Избыток NaOH дает мицеллу:

– x Na +

зародыш: (NaCl)

ядро: 3 (NaCl) 3 Cl –

гранула: –

94. Защита коллоидных частиц с использованием ВМС. Механизм защитного действия. Белки, углеводы, пектины как коллоидная защита.

Коллоидная защита – стабилизация дисперсной системы путем образования адсорбционной защитной оболочки вокруг частиц дисперсной фазы. Белки, пектины и углеводы выступают как стабилизаторы дисперсных систем, предохраняющих системы от дальнейшей коагуляции или седиментации.

110. Пены, условия их образования и свойства. Роль пенообразования для продуктов питания и примеры использования пен.

Пены – высококонцентрированные дисперсные системы (объемная доля газа более 60-80%), в которых дисперсная фаза – газ, а дисперсионная среда – жидкость или твердое тело (пенобетон, пеногипс, пенополимеры и т.д.). Пены – грубодисперсные системы, размер пузырьков в которых от 0,01 см до 0,1 см и более. Чаще всего пены с жидкой дисперсионной средой получают диспергированием газа в жидкости в присутствии стабилизатора, который в этом случае называют пенообразователем.

В качестве продуктов питания, представляющих собой пены можно привести такие пены как взбитые сливки в баллонах, молочные коктейли тоже получают методом взбивания и первоначально его составляющие образуют пену. При помощи пенообразования в пищевой промышленности добиваются извлечением из растворов ценных примесей, что является особенно эффективным в сухих пенах. Но при производстве сахара пена мешает нормальному протеканию процессов и в этом случае производят пеногашение.

ЛИТЕРАТУРА

Ахметов Б. В. Задачи и упражнения по физической и коллоидной химии. – Л.: Химия, 1989.

Гамеева О. С. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1983.

Евстратова К. И., Купина Н. А., Малахова Е. М. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1990.

Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Коллоидная химия. – М.: Химия, 2001.

Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Физическая химия. – М.: Химия, 2000.

Киселев Е. В. Сборник примеров и задач по физической химии. – М.: Высшая школа, 1983.

Кнорре Д. Г. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1990.

Стромберг А. Г. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 2001.

Степин Б. Д. Международные системы единиц физических величин в химии. – М.: Высшая школа, 1990.

Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия, 1995.

Хмельницкий Р. А. Физическая и коллоидная химиия. – М.: Высшая школа, 1988.

Дисперсной называют систему, в которой одно вещество распределено в среде другого, причем между частицами и дисперсионной средой есть граница раздела фаз. Дисперсные системы состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсная фаза - это частицы, распределенные в среде. Ее признаки: дисперсность и прерывистость.

Дисперсионная среда - материальная среда, в которой находится дисперсная фаза. Ее признак - непрерывность.

В основе конденсационных методов лежит процесс образования дисперсной фазы из веществ, находящихся в молекулярном или ионном состоянии. Необходимое требование при этом методе – создание пересыщенного раствора, из которого должна быть получена коллоидная система. Этого можно достичь при определенных физических или химических условиях.

Физические методы конденсации:

Дисперсные системы можно также получить методом пептизации, который заключается в переводе в коллоидный «раствор» осадков, частицы которых уже имеют коллоидные размеры. Различают следующие виды пептизации: пептизацию промыванием осадка; пептизацию поверхностно – активными веществами; химическую пептизацию.

С точки зрения термодинамики, наиболее выгодным является метод диспергирования.

Методы очистки:

1. Диализ – очистка золей от примесей с помощью полупроницаемых мембран, омываемых чистым растворителем.

2. Электродиализ – диализ, ускоренный за счет электрического поля.

3. Ультрафильтрация – очистка путем продавливания дисперсионной среды вместе с низкомалекулярными примесями через полупроницаемую мембрану(ультрафильтр).

Малекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем: броуновское движение, осмотическое давление, диффузия, седиментационное равновесие, седиментационный анализ, оптические свойства дисперсных систем.

Все молеклярно-кинетические свойства обусловлены самопроизвольны движением молекул и проявляются в броуновском движении, диффузии, осмосе, седиментауионном равновесии.

Броуновским называют непрерывное, хоатичное, равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газах, за счет воздействия молекул дисперсионной среды. Теория броуновского движения исходит из представления о взаимодействии случайной силы, которая характеризует удары молекул, силы, зависящей от времени, и силы трения при движении частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде с определенной скоростью.

Кроме поступательного движения возможно и вращательное, характерно для двухмерных частиц неправильной формы (нитей, волокон, хлопьев). Броуновское движение наиболее ярко выражено у высокодисперсных систем, а его интенсивность зависит от дисперсности.

Диффузия – самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область меньшей концентрацией. Различают следующие виды:

1.)молекулярную

3)коллоидные частицы.

Скорость диффузии в газах наибольшая, а в твердых телах – наименьшая.

Осмотическое давление – это такое избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану. ОД возникает при движении чистогорастворителя в сторону раствора или от более разбавленного раствора в сторону более концентрированного, а следовательно связано с раностью концентрацией растворенного вещества и растворителя. Осмотическое давление равно тому давлению, которое производила бы дисперсная фаза (растворенное вещество), если бы оно в виде газа при той же температуре занимала тот же объем, что и коллоидная система (раствор).

Седиментация – это расслоение дисперсных систем под действием силы тяжести с отделением дисперсной фазы в виде осадка. Способность дисперсных систем к седиментации является показателем их седиментационной устойчивости. Процессы расслоения применяют тогда, когда требуется выделить тот или иной компонент из какого-то компонента из какого-то природного или искусственно приготовленного продукта, представляющего собой гетерогенную жидкостную систему. В одних случаях из системы извлекают ценный компонент, в других удаляют нежелательные примеси. В общественном питании процессы расслоения дисперсных систем необходимы, когда требуется получить прозрачные напитки, осветилить бульон, освободить его от частиц мяса.

Поведение луча света, встречающего на пути частицы дисперсной фазы, зависит о соотношения длины волны света и размеров частиц. Если размеры частиц больше длины световой волны, то свет отражается от поверхности частиц под определенным углом. Это явление наблюдается в суспензиях. Если размеры частиц меньше длины световой волны, то свет рассеивается.