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.
По размеру частиц высокодисперсные системы − золи – занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами (атомно-молекулярная дисперсность растворенного вещества). Поэтому методы получения таких систем условно можно разделить на диспергирование – дробление крупных частиц до частиц коллоидного размера и конденсацию – соединение атомов, молекул или ионов в более крупные частицы.
Диспергирование − тонкое измельчение твердого тела или жидкости, в результате которого образуются дисперсные системы: порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли. Диспергирование жидкости в газовой среде называется распылением , диспергирование другой жидкости, не смешивающейся с первой, − эмульгированием . При диспергировании твердых тел происходит их механическое разрушение, например при помощи мельниц различных типов. Дробление вещества может происходить также под действием ультразвука.
Условно к диспергированию можно отнести метод пептизации
. Он заключается в переводе свежеприготовленных рыхлых осадков в коллоидный раствор под действием специальных стабилизирующих добавок − пептизаторов (электролиты, растворы ПАВ). Пептизатор способствует отделению частиц осадка друг
от друга и переходу их во взвешенное состояние с образованием золя.
Конденсация − процесс образования дисперсной фазы из веществ, находящихся в молекулярном или ионном состоянии. Необходимое требование при этом методе – создание в дисперсионной среде пересыщенного раствора (выше предела растворимости) диспергируемого вещества, из которого должна быть получена коллоидная система. Этого можно достичь при определенных физических или химических условиях.
Физическая конденсация – конденсация паров вещества при превышении равновесного давления пара в результате изменения температуры или давления, например, образование тумана – капель жидкости в газе. Добавление к раствору жидкости, которая хорошо смешивается с растворителем, но является плохим растворителем для растворенного вещества, приводит к образованию золя (замена растворителя).
Электрическое диспергирование . Между электродами из распыляемого металла, помещенными в охлаждаемую дисперсионную среду, создают электрическую дугу. Металлы при высокой температуре испаряются, а затем в холодной дисперсионной среде конденсируются. Таким методом получают в основном гидрозоли металлов, например диспергированием серебра, золота и платины в воде.
Химическая конденсация. В основе химической конденсации могут лежать обменные, окислительно-восстановительные реакции, гидролиз и т.д., в результате протекания которых образуется нерастворимое вещество, осаждающееся из пересыщенного раствора.
Контрольные вопросы
1. Дисперсные системы − признаки, основные характеристики, свойства.
2. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию и размерам.
3. Свободно- и связнодисперсные системы.
4. Способы получения дисперсных систем.
Поверхностные явления
Поверхностные явления связаны с самопроизвольными процессами, приводящими к уменьшению энергии системы (ΔG
=
= ΔH
− T
ΔS
+ σS
) главным образом за счет уменьшения поверхностного натяжения (σ) конденсированной фазы. К ним относятся адсорбция, адгезия, смачивание, капиллярные явления.
Адсорбция
Адсорбция – увеличение концентрации вещества на границе раздела фаз в результате самопроизвольного перераспределения компонентов системы между объемом фазы и поверхностным слоем. Различают адсорбцию молекул растворенного вещества поверхностью жидкого раствора и адсорбцию поглощения газов или жидкостей поверхностью твердого вещества.
2.1.1. Адсорбция растворенного вещества
поверхностью раствора
В объеме раствора молекулы растворенного вещества распределены равномерно. В зависимости от их влияния на величину поверхностного натяжения растворителя поверхностная концентрация растворенного вещества может отличаться от объемной концентрации.
При уменьшении поверхностного натяжения растворителя с ростом концентрации растворенного вещества (рис. 2.1) его поверхностная концентрация увеличивается − происходит адсорбция. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ). Если поверхностное натяжение растет, соответственно поверхностная концентрация уменьшается. Такие вещества называются поверхностно-инактивными (ПИВ), производная – поверхностной активностью . Вещества, для которых − поверхностно-неактивные (ПНВ). Поверхностная активность вещества зависит от растворителя. Одно и то же вещество для одного растворителя может быть поверхностно-активным, а для другого поверхностно-инактивным.
 |
Рис. 2.1. Зависимость поверхностного натяжения на границе «раствор−газ»
от концентрации растворенного вещества
Для воды ПАВ это вещества, молекулы которых имеют дифильное строение, т.е. содержат гидрофобные и гидрофильные группы атомов. Гидрофобной частью обычно является неполярный углеводородный радикал СН 3 -(СН 2) n -, с относительно большой длиной цепи. Гидрофильная часть − полярная группа, например функциональные группы карбоновых кислот − COOH; сульфокислот − SO 2 OH; аминов − NH 2 ; эфиров − O- и др.
Гидрофильные группы обеспечивают растворимость ПАВ в воде, а гидрофобные – в неполярных средах. В адсорбционном слое молекулы ПАВ ориентируются энергетически выгодным образом: гидрофильные группы − в сторону полярной среды (воды), а гидрофобные − в сторону неполярной среды (газ, углеводород) (рис. 2.2).
Различают ионогенные и неионогенные ПАВ. Первые в растворе диссоциируют на ионы, один из которых поверхностно-активен (анионные и катионные ПАВ). Вторые не диссоциируют.
Относительно воды поверхностно-инактивными (ПИВ) являются все неорганические растворимые вещества (кислоты, щелочи, соли). Примерами поверхностно-неактивных вещества (ПНВ) могут быть глюкоза, сахароза.
 |
Рис. 2.2. Ориентация молекул ПАВ на поверхности водного раствора
Адсорбция твердым веществом
При контакте твердого тела с газом или жидкостью происходит адсорбция − поглощение веществ поверхностью фазы. Твердое вещество с большой удельной поверхностью (например, микропористые тела) называется адсорбентом (AD). Поглощаемое вещество, находящееся в газовой или жидкой фазе, называется адсорбтивом (S), а после того, как оно перешло в адсорбированное состояние, − адсорбатом (ADS) (рис. 2.3). Обратный процесс перехода вещества из поверхностного слоя в объем газовой или жидкой фазы называется десорбцией .
 |
Рис. 2.3. Схема процесса адсорбции
По природе сил, удерживающих молекулы адсорбтива на поверхности твердого тела, адсорбция в общем случае делится на два основных типа: физическая адсорбция и химическая (хемо-сорбция).
Физическая адсорбция определяется силами межмолекулярного взаимодействия (силами Ван-дер-Ваальса). Основной вклад вносят дисперсионные силы, не зависящие от природы адсорбируемых молекул, определенную роль могут играть ориентационные и индукционные силы. Энергия взаимодействия сравнительно небольшая – 8…25 кДж/моль. Силы физической адсорбции обладают свойством дальнодействия, хотя быстро убывают с расстоянием (~1/r 6). Физическая адсорбция – процесс самопроизвольный (ΔG < 0), экзотермический (ΔH < 0), с уменьшением энтропии (ΔS < 0), так как сопровождается упорядочение системы. Поэтому количество сорбируемого вещества при физической адсорбции растет с уменьшением температуры. Соответственно десорбция происходит при относительно высоких температурах.
Химическая адсорбция (хемосорбция ) связана с образованием сильных химических связей. При поглощении вещества поверхностью перераспределяется электронная плотность с образованием химической связи, т.е. на поверхности раздела фаз происходит химическая реакция между сорбентом и сорбтивом. При хемосорбции адсорбированное вещество локализовано на поверхности адсорбента. Энергия взаимодействия примерно на порядок выше, чем при физической сорбции. Химическая сорбция может эффективно протекать при высоких температурах. Поглотительная способность сильно меняется в зависимости от природы взаимодействующих веществ.
Сорбционную способность адсорбента характеризует величина, равная количеству адсорбата (моль, г и др.), поглощенного еди-ницей поверхности (поверхностная концентрация). Она называется адсорбцией (Г) и измеряется соответственно в моль/см 2 ; г/см 2 и др. Удельная адсорбция − количество адсорбата, сорбируемого единицей массы адсорбента (моль/г; экв/г и др.).
Адсорбция в состоянии равновесия зависит от природы
сорбента и сорбируемого вещества. Кроме того, она зависит от молярной концентрации сорбируемого вещества (C
) или парциального давления сорбируемого газа (р
), а также от темпера-
туры (T
):
Г = f (C , T ); Г = f (p , T ).
Для процесса, осуществляемого при постоянной температуре, зависимость Г = f (C ) называется изотермой адсорбции .
Одной из моделей, описывающих процесс адсорбции, является модель мономолекулярной адсорбции Ленгмюра, основанная на следующих предположениях:
– молекулы адсорбата заполняют поверхность адсорбента в один слой, образуя мономолекулярный слой (монослой);
– поверхность сорбента однородна;
– сорбированные молекулы неподвижны.
Процесс адсорбции можно представить как квазихимическую реакцию между молекулами сорбируемого вещества, концентрация которого равна C , и центрами сорбции AD на поверхности адсорбента:
Состояние равновесия реакции характеризуется константой равновесия, которая в данном случае называется константой сорбции (К с).
– концентрация сорбируемого вещества на поверхности сорбента равна адсорбции − = Г(С);
– концентрация центров сорбции на поверхности − Г ¥ , в случае сорбции в один слой она соответствует максимальному числу молекул, которые могут быть сорбированы (емкость монослоя);
– число свободных мест на поверхности сорбента − =
= Г ¥ − Г(С
);
– концентрация сорбируемого вещества в объеме жидкости или газа −[S] = C.
Следовательно, 
и, соответственно,
; 
.
Данное уравнение получило название изотерма адсорбции Ленгмюра.
Она представляет собой зависимость количества вещества, поглощенного адсорбентом при постоянной температуре, от концентрации в жидкости (С
) или парциального давления в газе (p
) (рис. 2.4).
При малых концентрациях (К с С << 1) количество вещества, поглощенного сорбентом, растет линейно с ростом концентрации. При больших концентрациях (К с С >> 1), Г(С ) = Г ¥ поверхность сорбента полно-стью занята молекулами сорбируемого вещества. Количество поглощенного вещества равно Г ¥ и не зависит от концентрации сорбируемого вещества в объеме жидкости или газа. Величина Г ¥ называется сорбционной емкостью и характеризует максимально возможное количество вещества, которое может поглотить сорбент.
При сорбции паров вещества пористыми адсорбентами процесс мономолекулярной адсорбции может перейти в капиллярную конденсацию
. На первой стадии молекулы пара заполняют поверхность стенок пор (капилляров) в один слой, затем число слоев возрастает, образуется жидкая фаза, которая заполняет объем пор. Изотерма адсорбции в этом случае имеет S-образную форму. При малых давлениях кривая представляет собой изотерму адсорбции Ленгмюра, а при приближении к величине предельной сорбции резко поднимается вверх, процесс переходит в капиллярную конденсацию (рис. 2.5).
Твердые пористые адсорбен-ты широко используют в различных областях для удаления из газов и жидкостей нежелательных примесей − очистка веществ. Например, в фильтрующем противогазе происходит удаление ядовитых газов из воздуха.
Приведем примеры пористых адсорбентов.
Активные угли − пористые углеродные адсорбенты, которые получают путем термической обработки органического сырья (например, древесные материалы) без доступа воздуха с последующей физико-химической обработкой для создания требуемой микропористой структуры. Поверхность угольных сорбентов электронейтральна, и адсорбция определяется в основном дисперсионными силами взаимодействия. Активные угли хорошо поглощают неполярные вещества из газовой фазы и водных растворов. Обладают удельной поверхностью до 1000 м 2 /г.
В зависимости от назначения угольные сорбенты подразделяют на газовые, рекуперационные и осветляющие угли. Газовые угли предназначены для улавливания плохо сорбирующихся веществ, содержащихся в газах в небольшой концентрации, а также для очистки воды от примесей веществ с небольшим размером молекул, в частности дезодорация питьевой воды. Рекуперационные угли предназначены для улавливания паров органических растворителей из воздуха. Осветляющие угли служат для поглощения относительно крупных молекул и микросуспензий из жидкой среды, в частности используются для фармацевтических целей и для осветления пищевых продуктов.
Силикагель − минеральный адсорбент (гидратированный аморфный кремнезем ), образованный сферическими частицами размером 10…100 нм, которые связаны между собой, образуя жесткий кремнекислородный каркас. Удельная поверхность 300…700 м 2 /г. Адсорбционные свойства силикагеля в значительной степени определяются поверхностными группами Si-OH. Обычно его используют для поглощения из газов паров воды (осушитель) и органических растворителей, для адсорбционной очистки неполярных жидкостей.
Алюмогель − активная окись алюминия, которую получают прокаливанием гидроокиси алюминия (). Он является гидрофильным адсорбентом с сильно развитой пористой структурой. Используется для осушки газов, для очистки трансформаторных масел, газов и жидкостей, содержащих соединения фтора.
Цеолиты
– кристаллические каркасные алюмосиликаты,
содержащие в своем составе ионы щелочных и щелочнозе-мельных металлов (). Основным «строительным блоком» для создания различных форм природных и синтетических цеолитов служит кристаллическая структура, представляющая собой кубооктаэдр, объем которого и является адсорбционной полостью. На шестиугольных гранях располагаются «входные окна» в адсорбционные полости, размер которых строго фиксирован и зависит от параметров кристаллической решетки. В зависимости от марки синтетических цеолитов диаметр входных окон может быть от 2 до 15 Å. Поэтому цеолиты могут использоваться для разделения веществ не только на основе избирательной адсорбции, но и на основе разницы в размере молекул − молекулярные сита.
П р и м е ч а н и е. Адсорбция различных веществ одним и тем же сорбентом неодинакова. На этом свойстве основан метод разделения смеси газов, паров, жидкостей или растворенных веществ, получивший название хроматография . Пропуская смесь газов или раствор (подвижная фаза) через неподвижный слой адсорбента, можно разделить смеси на индивидуальные вещества.
Цель работы : ознакомиться с различными методами получения дисперсных систем.
Краткое теоретическое введение.
Способы получения дисперсных систем можно разделить на две группы: методы диспергирования и методы конденсации.
Методы диспергирования основаны на дроблении крупных кусков вещества до требуемой степени дисперсности. Эти методы чаще применяются для получения суспензий и эмульсий Системы с размерами частиц 10 -6 – 10 -7 см получают методами конденсации. Методы конденсации представляют собой объединение молекул или ионов до размеров коллоидных частиц, следствием чего является возникновение границы раздела фаз.
Для получения дисперсных систем любым из этих методов необходимо выполнение следующих условий:
а) нерастворимость или ограниченная растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде;
б) наличие в системе стабилизатора, который должен обеспечить устойчивость взвешенных частиц и приостановить их рост.
Методы диспергирования.
Затрачивая работу против молекулярных сил сцепления, можно различными способами достичь нужной степени дисперсности.
1. Механическое диспергирование.
Способ заключается в энергичном и продолжительном растирании, размалывании или распыливании вещества дисперсной фазы и смешивании его с жидкостью, которая служит дисперсионной средой. Крупные частицы дробят, пользуясь ступками, коллоидными мельницами, краскотёрками. Способом механического диспергирования получают фармацевтические препараты, смазочные материалы, пищевые продукты.
2. Диспергирование ультразвуком.
В основе метода лежит использование ультразвуковых колебаний (более 20000 колебаний в секунду). Диспергирование при помощи ультразвука эффективно лишь для веществ, имеющих небольшую прочность: сера, графит, краски, крахмал, каучук, желатин. Очень легко получаются этим методом эмульсии, например, эмульсии какао, высококачественные кремы и др.
Методы конденсации.
В основе конденсационных методов лежат процессы образования частиц дисперсной фазы из веществ, находящихся в молекулярном или ионном состоянии. Процессы эти могут носить как физический, так и химический характер.
Физическая конденсация.
1. Метод замены растворителя.
Сущность метода заключается в том, что растворитель, в котором вещество растворяется, образуя истинный раствор, заменяется растворителем, в котором это вещество нерастворимо. Например, если спиртовой раствор серы, фосфора или канифоли влить в воду, то раствор становится насыщенным, происходит конденсация, и образуются частицы дисперсной фазы. Это происходит потому, что указанные вещества плохо растворяются в водно-спиртовой смеси.
2. Конденсация при охлаждении пара.
Наиболее наглядный пример конденсации из паров – образование тумана или дыма. Другим примером возникновения коллоидных частиц в результате конденсации пара можно назвать камеру Вильсона, используемую в ядерной физике.
Химическая конденсация.
Получение дисперсных систем методами химической конденсации сводится к образованию молекул нерастворимых веществ в результате химической реакции с последующим укрупнением их до размеров коллоидных частиц. Химические конденсационные методы классифицируются в зависимости от типа химической реакции, лежащей в основе получения золя. К числу реакций, в результате которых при соответствующих условиях могут образовываться вещества в коллоидном состоянии, относятся реакции окисления, восстановления, обмена, гидролиза.
1.Реакции окисления.
Пример окислительной реакции – окисление сероводорода в водной среде:
H 2 S + O 2 = 2S + 2H 2 O
2.Реакции обмена.
Примером такой реакции является образование золя сульфида мышьяка (III):
As 2 O 3 + 3H 2 S = As 2 S 3 + 3H 2 O
3. Реакции гидролиза.
Гидролиз чаще всего используется для получения золей гидроксидов металлов:
FeCl 3 + 3H 2 O = Fe(OH) 3 + 3HCl
Метод пептизации.
Пептизацией называется процесс перехода в коллоидный раствор осадков, образовавшихся при коагуляции. Вызвать пептизацию можно промыванием коагулята растворителем, а также воздействием пептизаторов (электролитов, неэлектролитов, поверхностно-активных веществ, высокомолекулярных соединений). Пептизировать можно только свежеполученные осадки, в которых не прошли явления кристаллизации и частицы не потеряли своей индивидуальности.
Экспериментальная часть.
I. Методы физической конденсации .
Опыт 1 . Получение золя серы методом замены растворителя.
В пробирку наливают 10 мл дистиллированной воды, добавляют 5 капель раствора серы в этаноле и энергично перемешивают содержимое пробирки. Образуется прозрачный опалесцирующий золь. Сера растворима в спирте, но нерастворима в воде. При замене спирта водой молекулы растворённого вещества соединяются в агрегаты коллоидных размеров.
Для наблюдения эффекта Фарадея-Тиндаля пробирку с коллоидным раствором помещают на пути луча света проекционного фонаря. Рассматривают пробирку под углом 90 0 к направлению падающего луча.
ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемое учебное пособие содержит описание 7 лабораторных работ по основным разделам курса коллоидной химии.
Каждая работа состоит из теоретической и практической частей. В первой части изложены основы соответствующего раздела курса коллоидной химии, что позволит студентам сознательно и успешно выполнить лабораторные работы. Далее следует практическая часть, где описаны цель работы, необходимые реактивы и оборудование, методика ее выполнения и обработки экспериментальных результатов, требования к отчету и вопросы для самоконтроля.
Основные цели лабораторных работ по коллоидной химии – привить студентам навыки самостоятельной экспериментальной работы и помочь усвоению основного теоретического материала, рассматриваемого на лекциях.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ПОЛУЧЕНИЕ ЗОЛЕЙ МЕТОДОМ ЗАМЕНЫ РАСТВОРИТЕЛЯ.
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ НЕПРАВИЛЬНЫХ РЯДОВ.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Предмет коллоидной химии
Наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах называется коллоидной химией .
К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на поверхности раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряженных фаз. Каждое тело ограничено поверхностью, поэтому объектами коллоидной химии могут быть тела любого размера. Однако поверхностные явления проявляются сильнее всего в телах с высокоразвитой поверхностью, которая придает им новые важные свойства.
Дисперсные системы , рассматриваемые в коллоидной химии, состоят как минимум из двух фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсионной средой. Другая фаза раздроблена и распределена в первой, ее называют дисперсной фазой .
Классификация дисперсных систем
Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсной фазы и дисперсионной среды. Три агрегатных состояния (твердое, жидкое и газообразное) позволяют выделить девять типов дисперсных систем (табл. 1.1). Для краткости их условно обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель – дисперсионной среды. Например, дробью Т/Ж обозначают системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой (твердое в жидкости). Одно из девяти сочетаний Г/Г в обычных условиях не может образовать коллоидной системы, так как газы при любых соотношениях дают истинные растворы. Однако и газы могут проявлять некоторые свойства коллоидных систем благодаря непрерывным флуктуациям плотности и концентрации, вызывающим неоднородности в системе.
Из представленной классификации видно, что все дисперсные системы по кинетическим свойствам дисперсной фазы можно разделить на два класса: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связнодисперсные системы – системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно передвигаться. К свободнодисперсным системам относятся золи, к связнодисперсным – гели.
Дисперсные системы классифицируют по дисперсности. Для свободнодисперсных и связнодисперсных систем классификации по дисперсности имеют существенные различия.
Таблица 1.1
Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз
| Условное обозначение системы | Название системы и примеры |
| Т/Т | Твердые гетерогенные системы: минералы, сплавы, бетон, композиционные материалы |
| Ж/Т | Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, адсорбенты в растворах, почвы, грунты |
| Г/Т | Пористые тела: адсорбенты и катализаторы в газах |
| Т/Ж | Суспензии и золи: промышленные суспензии, пульпы, взвеси, пасты, илы |
| Ж/Ж | Эмульсии: природная нефть, кремы, молоко |
| Г/Ж | Газовые эмульсии и пены: флотационные, противопожарные, мыльные пены |
| Т/Г | Аэрозоли (пыли, дымы), порошки |
| Ж/Г | Аэрозоли, туманы, в том числе промышленные, облака |
| Г/Г | Коллоидные системы отсутствуют |
Свободнодисперсные системы подразделяются на ультрамикрогетерогенные, размер частиц которых лежит в пределахот 10 –7 до 10 –5 см (от 1 до 100 нм), микрогетерогенные с размером частиц от 10 –5 до 10 –3 см (от 0,1 до 10 мкм) и грубодисперсные с частицами, размер которых превышает 10 ‑3 см.
Ультрамикрогетерогенные системы часто называют истинно коллоидными или просто коллоидными, так как раньше только такие системы считались объектом коллоидной химии. Сейчас термин «коллоидный» стал применяться в широком смысле, равноценном термину «гетерогенно-дисперсный», а за ультрамикрогетерогенными системами осталось название «золи».
Связнодисперсные системы, точнее, пористые тела, классифицируют на микропористые – с размерами пор до 2 нм, переходно-пористые – от 2 до 200 нм и макропористые – выше 200 нм. Системы Т/Т часто удобнее подразделять по дисперсности так же, как и свободнодисперсные системы.
По термодинамической устойчивости дисперсные системы классифицируют на лиофильные (термодинамически устойчивые) и лиофобные (термодинамически неустойчивые) .
Методы получения дисперсных систем
Лиофобные дисперсные системы (термодинамически неравновесные) могут быть получены двумя путями: конденсацией молекул и дроблением более крупных частиц до нужной степени дисперсности.
Конденсационный путь образования дисперсных систем связан с выделением новой фазы из гомогенной системы, находящейся в метастабильном состоянии, например, кристаллизация из пересыщенного раствора, конденсация пересыщенного пара и т. п. Этот процесс протекает в том случае, если химический потенциал вещества в новой (стабильной) фазе меньше, чем в старой (). Однако этот выгодный в конечном счете процесс проходит через стадию, требующую затраты энергии, – стадию образования зародышей новой фазы. Условия для возникновения зародышей новой фазы возникают в метастабильной системе в местах, где образуется местное пересыщение – флуктуации плотности (концентрации) достаточной величины. Радиус равновесного зародыша новой фазы связан со степенью пересыщения известной зависимостью (для жидкой капельки, образующейся в пересыщенном паре):
=  | (1.1) |
где s и – поверхностное натяжение и молярный объем жидкой капельки; p и p – упругости пересыщенного и насыщенного пара соответственно.
Из уравнения видно, что для образования зародышей новой фазы необходимо пересыщение p /p >1. Чем больше степень пересыщения, тем меньше равновесный размер зародышей, тем легче он образуется.
Размеры образующихся частиц зависят от условий проведения процесса конденсации, в принципе – от соотношения между скоростями одновременно идущих процессов: образование зародышей и роста их. Для получения мелких частиц (т. е. частиц дисперсной фазы в будущей дисперсной системе) необходимо значительное преобладание скорости первого процесса над скоростью второго. Практически такие условия создаются либо в весьмав разбавленных растворах реагирующих веществ, либо, наоборот, в достаточно концентрированных растворах, когда образуется сразу много зародышей в процессе кристаллизации, не успевших вырасти до больших размеров. В первом случае образуется золь (коллоидная система), во втором получается мелкокристаллический осадок, который можно в определенных условиях перевести в коллоидный раствор.
Химическая конденсация
Если при химической реакции образуется труднорастворимое соединение, то оно при определенных условиях может быть получено в виде коллоидного раствора. Для этого нужно, во-первых, вести реакцию, разбавленную в растворе, чтобы скорость роста кристаллических частиц была невелика, тогда частицы получаются мелкие (10 –7 ¼10 –9 м) и системе будет обеспечена седиментационная устойчивость; во-вторых, одно из реагирующих веществ взять в избытке, чтобы на поверхности кристалла мог образоваться двойной электрический слой – основной фактор агрегативной устойчивости .
Физическая конденсация
В основе способа лежит конденсация молекул одного вещества – будущей дисперсной фазы, в другом веществе – будущей дисперсионной среды. Практически это может быть осуществлено различными путями, например, пропусканием одного вещества в другое.
Одним из примеров физической конденсации является метод замены растворителя: раствор какого-либо вещества постепенно, при перемешивании, прибавляют к жидкости, в которой это вещество нерастворимо. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных частиц.
Таким способом можно получить гидрозоли серы, фосфора, канифоли, антрацена и других веществ, вливая их спиртовые растворы в воду. Строение двойного электрического слоя в этих системах недостаточно известно .
Дробление
Механическое дробление осуществляется в различного рода мельницах (для получения коллоидной дисперсности применяют дисперсные мельницы), с помощью ультразвука, в вольтовой дуге (для получения золей металлов) и т. д.
Дробление частиц малых размеров требует большой затраты работы, так как поверхность раздела между фазами в таких системах должна быть очень велика. Образующиеся при дроблении частицы имеют тенденцию самопроизвольного слипания (коагуляции), поэтому дробление следует производить в дисперсной среде в присутствии стабилизаторов – ионов или поверхностно-активных веществ.
Дробление в присутствии поверхностно-активного вещества (ПАВ) требует меньшие затраты работы. Эффект значительного понижения сопротивляемости твердых тел разрушения в результате адсорбции ПАВ был обнаружен Ребиндером П.А. и получил название адсорбционного понижения прочности .
Введение…………………………………………………………стр. 3
Основная часть
1. Получение дисперсных систем………………………………стр. 5
1.1. Диспергационные методы………………………………..стр. 5
1.2. Конденсационные методы………………………………..стр. 7
2. Очистка дисперсных систем………………………………..стр. 10
Приложение………………………………………………………стр. 12
Список использованной литературы……………………………стр.13
Введение
В коллоидной химии широко используются многие понятия из курса физической химии, в том числе фаза, гомогенная и гетерогенная системы.
Фаза – часть системы одного состава, одинаковых физических свойств, ограниченная от других частей поверхностью раздела. Систему, состоящую из одной фазы, называют гомогенной. Гетерогенная система состоит из двух и более фаз. Гетерогенную систему, в которой одна из фаз представлена в виде частиц микроскопических размеров, называют микрогетерогенной. Гетерогенная система может содержать частицы значительно меньших размеров в сравнении с видимыми в оптический микроскоп. Такие частицы наблюдают с помощью ультрамикроскопа. Систему, содержащую столь малые частицы, называют ультрамикрогетерогенной . По предложению Оствальда и Веймарна, фазу, входящую в микрогетерогенную и ультрамикрогетерогенную систему в виде мелких частиц, называют дисперсной .
Микрогетерогенные и ультрамикрогетерогенные системы – представители особого класса гетерогенных систем, называемых дисперсными системами .
Коллоидная химия – это наука о свойствах гетерогенных высокодисперсных систем и о протекающих в них процессах.
Обладая избытком свободной энергии, типичные высокодисперсные системы являются термодинамически неустойчивыми. Для них характерны самопроизвольные процессы, снижающие указанный избыток путем уменьшения дисперсности. При этом система, оставаясь неизменной по своему химическому составу, изменяет энергетические характеристики, а следовательно, и коллоидно-химические свойства. В рассматриваемых процессах, в отличие от химических, система проявляет неустойчивость, изменчивость, высокую лабильность, оставаясь в то же время «сама собой» (сохраняя состав).
Все эти особенности – невоспроизводимость, структурообразование и лабильность – имеют огромное значение в процессе эволюции материи к наиболее высокоорганизованной ее форме – жизни. Потенциальные возможности жизненных процессов уже заключены, как в зародыше, в дисперсных системах, из которых построено живое вещество. Коллоидный уровень материи, надмолекулярный или высокомолекулярный, соответствующий «молекулярному уровню» в биологии, является необходимым и неизбежным звеном в процессе эволюции.
Комплексные биологические проблемы, доминирующие в настоящее время в естествознании, решаются в значительной степени на основе физической химии дисперсных систем. Поэтому изучение коллоидной химии приобретает особенно важное и принципиальное значение для развития науки в настоящем и будущем.
В данной работе рассматриваются основные способы получения и очистки дисперсных систем, которые классифицируют как золи с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой (золь [нем. Sole от solutio (лат.) ] - коллоидный раствор). По размеру частиц золи относят к коллоидно – дисперсному типу систем (10 -7 – 10 -9 м).
Получение материалов с необходимыми свойствами во многих случаях включение в качестве технологических процессов образование (диспергационное или конденсационное) частиц дисперсной фазы и их коагуляцию в жидкой дисперсионной среде. С другой стороны, коагуляция и осаждение взвесей являются одним из этапов процессов водоочистки. Это относится не только к вредным бытовым взвесям и отходам различных технологических процессов, но и к специально получаемым золям гидроксидов металлов, которые вводят в воду для улавливания примесей ПАВ и ионов тяжелых металлов. Методы управления этими процессами основаны на применении общих закономерностей образования и разрушения дисперсных систем в сочетании с изучением их специфических свойств, в особенности способности к формированию пространственных дисперсных структур с характерными механическими свойствами. Эти коллоидно – химические явления лежат в основе многих геологических процессов, например, ведущих к формированию почвенного слоя, явившегося основой развития жизни на поверхности Земли.
Основная часть
1.Получение дисперсных систем.
Известны два способа получения дисперсных систем. В одном из них тонко измельчают (диспергируют) твердые и жидкие вещества в соответствующей дисперсионной среде, в другом вызывают образование частиц дисперсионной фазы из отдельных молекул или ионов.
Методы получения дисперсных систем измельчением более крупных частиц называют диспергационными. Методы, основанные на образовании частиц в результате кристаллизации или конденсации, называют конденсационными.
1.1.Диспергационные методы.
Эта группа методов объединяет прежде всего механические способы, в которых преодоление межмолекулярных сил и накопление свободной поверхностной энергии в процессе диспергирования происходит за счет внешней механической работы над системой. В результате твердые тела раздавливаются, истираются, дробятся или расщепляются, причем характерно это не только для лабораторных или промышленных условий, но и для процессов диспергирования, происходящих в природе (результат дробления и истирания твердых пород пол действием сил прибоя, приливно-отливные явления, процессы выветривания и выщелачивания и т.д.).
В лабораторных и промышленных условиях рассматриваемые процессы проводят в дробилках, жерновах и мельницах различной конструкции. Наиболее распространены шаровые мельницы. Это полые вращающиеся цилиндры, в которые загружают измельчаемый материал и стальные или керамические шары. При вращении цилиндра шары перекатываются, истирая измельчаемый материал. Измельчение может происходить и в результате ударов шаров. В шаровых мельницах получают системы, размеры частиц которых находятся в довольно широких пределах: от 2 – 3 до 50 – 70 мкм. Полый цилиндр с шарами можно приводить в круговое колебательное движение, что способствует интенсивному дроблению загруженного материала под действием сложного движения измельчающих тел. Такое устройство называется вибрационной мельницей.
Более тонкого диспергирования добиваются в коллоидных мельницах различных конструкций, принцип действия которых основан на развитии разрывающих усилий в суспензии или эмульсии под действием центробежной силы в узком зазоре между вращающимся с большой скоростью ротором и неподвижной частью устройства – статором. Взвешенные крупные частицы испытывают при этом значительное разрывающее усилие и таким образом диспергируются. Тип коллоидной мельницы, широко распространенный в настоящее время, изображен на рис. 1 (смотри приложение). Эта мельница состоит из ротора, представляющего конический диск 1, сидящий на валу 2, и статора 3. Ротор приводится во вращение с помощью специального расположенного вертикально мотора, совершающего обычно около 9000 об/мин. Рабочие поверхности ротора и статора 4 пришлифованы друг к другу и толщина щели между ними составляет около 0,05 мм. Грубая суспензия полается в мельницу по трубе 5 под вращающийся диск центробежной силой, развивающейся в результате вращений ротора, проталкивается через щель и затем удаляется из мельницы через трубу 6. При прохождении жидкости в виде тонкой пленки через щель взвешенные в жидкости частицы испытывают значительные сдвиговые усилия и измельчаются. Степень дисперсности полученной системы зависит от толщины щели и скорости вращения ротора: чем меньше зазор и больше скорость, тем больше сдвиговое усилие и следовательно, выше будет дисперсность.
Высокой дисперсности можно достичь ультразвуковым диспергированием . Диспергируещее действие ультразвука связано с кавитацией – образованием и захлопыванием полостей в жидкости. Захлопывание полостей сопровождается появлением кавитационных ударных волн, которые и разрушают материал. Экспериментально установлено, что дисперсность находится в прямой зависимости от частоты ультразвуковых колебаний. Особенно эффективно ультразвуковое диспергирование, если материал предварительно подвергнут тонкому измельчению. Эмульсии, полученные ультразвуковым методом, отличаются однородностью размеров частиц дисперсной фазы.
К диспергационным методам получения золей можно отнести метод Бредига , который основан на образовании вольтовой дуги между электродами из диспергируемого металла, помещенными в воду. Сущность метода заключается в распылении металла электрода в дуге, а также в конденсации паров металла, образующихся при высокой температуре. Поэтому электрический способ соединяет в себе черты диспергационных и конденсационных методов. Метод электрораспыления был предложен Бредигом в 1898 г. Бредиг включал в цепь постоянного тока силой 5-10 А и напряжением 30-110 В амперметр, реостат и два электрода из диспергируемого металла. Электроды он погружал в сосуд с водой, охлаждаемый снаружи льдом. Схематическое устройство прибора, которым пользовался Бредиг, показано на рис. 2 (смотри приложение). При прохождении тока через электроды между ними под водой возникает вольтова дуга. При этом у электродов образуется облачко высокодисперсного металла. Для получения более стойкий золей в воду, в которую погружены электроды, целесообразно вводить следы стабилизирующих электролитов, например гидроокисей щелочных металлов.
Более общее значение имеет способ Сведберга, в котором используется колебательный разряд высокого напряжения, приводящий к проскакиванию искры между электродами. Этим способом можно получать не только гидрозоли, но и органозоли различных металлов.
При дроблении и измельчении материалы разрушаются в первую очередь в местах прочностных дефектов (макро- и микротрещин). Поэтому по мере измельчения прочность частиц возрастает, что обычно используют для создания более прочных материалов. В то же время увеличение прочности материалов по мере их измельчения ведет к большому расходу энергии на дальнейшее диспергирование. Разрушение материалов может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера – адсорбционного понижения прочности твердых тел. Этот эффект заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью поверхностно- активных веществ (ПАВ), в результате чего облегчается деформирование и разрушение твердого тела. В качестве таких ПАВ, называемых в данном случае понизителями твердости , могут быть использованы, например, жидкие металлы для разрушения твердых металлов, органические вещества для уменьшения прочности органических монокристаллов. Для понизителей твердости характерны малые количества, вызывающие эффект Ребиндера, и специфичность действия. Добавки, смачивающие материал, помогают проникнуть среде в места дефектов и с помощью капиллярных сил также облегчают разрушение твердого тела. ПАВ не только способствуют разрушению материала, но и стабилизируют дисперсное состояние, так как, покрывая поверхность частиц, они тем самым препятствуют обратному слипанию их или слиянию (для жидкостей). Это также способствует достижению высокодисперсного состояния.
Применением диспергационных методов достичь весьма высокой дисперсности обычно не удается. Системы с размерами частиц порядка 10 -6 – 10 -7 см получают конденсационными методами.
1.2. Конденсационные методы.
В основе конденсационных методов лежат процессы возникновения новой фазы путем соединения молекул, ионов или атомов в гомогенной среде. Эти методы можно подразделить на физические и химические.
Физическая конденсация. Важнейшие физические методы получения дисперсных систем – конденсация из паров и замена растворителя. Наиболее наглядным примером конденсации из паров является образование тумана. При изменении параметров системы, в частности при понижении температуры, давление пара может стать выше равновесного давления пара над жидкостью (или над твердым телом) и в газовой фазе возникает новая жидкая (твердая) фаза. В результате система становится гетерогенной – начинает образовываться туман (дым). Таким путем получают, например, маскировочные аэрозоли, образующиеся при охлаждении паров P 2 O 5 , ZnO и других веществ. Лиозоли получаются в процессе совместной конденсации паров веществ, образующих дисперсную фазу и дисперсионную среду на охлажденной поверхности.
Широко применяют метод замены растворителя, основанный, как и предыдущий, на таком изменении параметров системы, при котором химический потенциал компонента в дисперсионной среде становится выше равновесного и тенденция к переходу в равновесное состояние приводит к образованию новой фазы. В отличие от метода конденсации паров (изменение температуры), в методе замены растворителя изменяют состав среды. Так, если насыщенный молекулярный раствор серы в этиловом спирте влить в большой объем воды, то полученный раствор в спирто-водной смеси оказывается уже пересыщенным. Пересыщение приведет к агрегированию молекул серы с образованием частиц новой фазы – дисперсной.
Методом замены растворителя получают золи серы, фосфора, мышьяка, канифоли, ацетилцеллюлозы и многих органических веществ, вливая спиртовые или ацетоновые растворы этих веществ в воду.
Химическая конденсация . Эти методы также основаны на конденсационном выделении новой фазы из пересыщенного раствора. Однако в отличии от физических методов, вещество, образующее дисперсную фазу, появляется в результате химической реакции. Таким образом, любая химическая реакция, идущая с образованием новой фазы, может быть источником получения коллоидной системы. В качестве примеров приведем следующие химические процессы.
1.Восстановление. Классический пример этого метода – получение золя золота восстановлением золотохлористоводородной кислоты. В качестве восстановителя можно применять пероксид водорода (метод Зигмонди) :
2HauCl 2 +3H 2 O 2 ®2Au+8HCl+3O 2
Известны и другие восстановители: фосфор (М. Фарадей), таннин (В. Освальд), формальдегид (Р.Жигмонди). Например,
2KauO 2 +3HCHO+K 2 CO 3 =2Au+3HCOOK+KHCO 3 +H 2 O
2.Окисление. Окислительные реакции широко распространены в природе. Это связано с тем, что при подъеме магматических расплавов и отделяющихся от них газов, флюидных фаз и подземных вод все подвижные фазы проходят из зоны восстановительных процессов на большой глубине к зонам окислительных реакций вблизи поверхности. Иллюстрацией такого рода процессов является образование золя серы в гидротермальных водах, с окислителями (сернистым газом или кислородом):
2H 2 S+O 2 =2S+2H 2 O
Другим примером может служить процесс окисления и гидролиза гидрокарбоната железа:
4Fe(HCO 3) 2 +O 2 +2H 2 O®4Fe(OH) 3 +8CO 2
Получающийся золь гидроокиси железа сообщает красно-коричневую окраску природным водам и является источником ржаво-бурых зон отложений в нижних слоях почвы.
3. Гидролиз. Широкое распространение в природе и важное значение в технике имеет образование гидрозолей в процессах гидролиза солей. Процессы гидролиза солей применяют для очистки сточных вод (гидроксид алюминия, получаемый гидролизом сульфата алюминия). Высокая удельная поверхность образующихся при гидролизе коллоидных гидроксидов позволяет эффективно адсорбировать примеси – молекулы ПАВ и ионы тяжелых металлов.
4. Реакции обмена. Этот метод наиболее часто встречается на практике. Например, получение золя сульфида мышьяка:
2H 3 AsO 3 +3H 2 S®As 2 S 3 +6H 2 O,
получение золя йодида серебра:
AgNO 3 +KI®AgI+KNO 3
Интересно, что реакции обмена дают возможность получать золи в органических растворителях. В частности, хорошо изучена реакция
Hg(CN) 2 +H 2 S®HgS+2HCN
Ее проводят, растворяя Hg(CN) 2 в метиловом, этиловом или пропиловом спирте и пропуская через раствор сероводород.
Хорошо известные в аналитической химии реакции, как, например, получение осадков сульфата бария или хлорида серебра
Na 2 SO 4 + BaCl 2 ® BaSO 4 + 2NaCl
AgNO 3 + NaCl ® AgCl + NaNO 3
в определенных условиях приводят к получению почти прозрачных, слегка мутноватых золей, из которых в дальнейшем могут выпадать осадки.
Таким образом, для конденсационного получения золей необходимо, чтобы концентрация вещества в растворе превышала растворимость, т.е. раствор должен быть пересыщенным. Эти условия являются общими как для образования высокодисперсного золя, так и обычного осадка твердой фазы. Однако, в первом случае требуется соблюдение особых условий, которые, согласно теории, разработанной Веймарном, заключается в одновременности возникновения огромного числа зародышей дисперсной фазы. Под зародышем следует понимать минимальное скопление новой фазы, находящееся в равновесии с окружающей средой. Для получения высокодисперсной системы необходимо, чтобы скорость образования зародышей была намного больше, чем скорость роста кристаллов. Практически это достигается путем вливания концентрированного раствора одного компонента в очень разбавленный раствор другого при сильном перемешивании.
Золи образуются легче, если в процессе их получения в растворы вводят специальные соединения, называемые защитными веществами, или стабилизаторами. В качестве защитных веществ при получении гидрозолей применяют мыла, белки и другие соединения. Стабилизаторы используют и при получении органозолей.
2. Очистка дисперсных систем.
Золи и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) содержат в виде нежелательных примесей низкомолекулярные соединения. Их удаляют следующими методами.
Диализ. Диализ был исторически первым методом очистки. Его предложил Т. Грэм (1861). Схема простейшего диализатора показана на рис. 3 (смотри приложение). Очищаемый золь, или раствор ВМС, заливают в сосуд, дном которого служит мембрана, задерживающая коллоидные частицы или макромолекулы и пропускающая молекулы растворителя и низкомолекулярные примеси. Внешней средой, контактирующей с мембраной, является растворитель. Низкомолекулярные примеси, концентрация которых в золе или макромолекулярном растворе выше, переходят сквозь мембрану во внешнюю среду (диализат). На рисунке направление потока низкомолекулярных примесей показано стрелками. Очистка идет до тех пор, пока концентрации примесей в золе и диализате не станут близкими по величине (точнее, пока не выравняются химические потенциалы в золе и диализате). Если обновлять растворитель, то можно практически полностью избавиться от примесей. Такое использование диализа целесообразно, когда цель очистки – удаление всех низкомолекулярных веществ, проходящих сквозь мембрану. Однако в ряде случаев задача может оказаться сложнее – необходимо освободиться только от определенной части низкомолекулярных соединений в системе. Тогда в качестве внешней среды применяют раствор тех веществ, которые необходимо сохранить в системе. Именно такая задача ставится при очистке крови от низкомолекулярных шлаков и токсинов (солей, мочевины и т.п.).
Ультрафильтрация. Ультрафильтрация – метод очистки путем продавливания дисперсионной среды вместе с низкомолекулярными примесями через ультрафильтры. Ультрафильтрами служат мембраны того же типа, что и для диализа.
Простейшая установка для очистки ультрафильтрацией показана на рис. 4 (смотри приложение). В мешочек из ультрафильтра наливают очищаемый золь или раствор ВМС. К золю прилагают избыточное по сравнению с атмосферным давление. Его можно создать либо с помощью внешнего источника (баллон со сжатым воздухом, компрессор и т. п.), либо большим столбом жидкости. Дисперсионную среду обновляют, добавляя к золю чистый растворитель. Чтобы скорость очистки была достаточно высокой, обновление проводят по возможности быстро. Это достигается применением значительных избыточных давлений. Чтобы мембрана могла выдержать такие нагрузки, ее наносят на механическую опору. Такой опорой служат сетки и пластинки с отверстиями, стеклянные и керамические фильтры.
Микрофильтрация. Микрофильтрацией называется отделение с помощью фильтров микрочастиц размером от 0,1 до 10 мкм. Производительность микрофильтрата определяется пористостью и толщиной мембраны. Для оценки пористости, т. е. отношения площади пор к общей площади фильтра, используют разнообразные методы: продавливание жидкостей и газов, измерение электрической проводимости мембран, продавливание систем, содержащих калиброванные частицы дисперсионной фазы, и пр.
Микропористые фильтры изготовляют из неорганических веществ и полимеров. Спеканием порошков можно получить мембраны из фарфора, металлов и сплавов. Полимерные мембраны для микрофильтрования чаще всего изготовляют из целлюлозы и ее производных.
Электродиализ. Очистку от электролитов можно ускорить, применяя налагаемую извне разность потенциалов. Такой метод очистки называется электродиализом. Его использование для очистки различных систем с биологическими объектами (растворы белков, сыворотка крови и пр.) началось в результате успешных работ Доре (1910). Устройство простейшего электродиализатора показано на рис. 5(смотри приложение). Очищаемый объект (золь, раствор ВМС) помещают в среднюю камеру 1, а в две боковые камеры наливают среду. В катодную 3 и анодную 5 камеры ионы проходят сквозь поры в мембранах под действием приложенного электрического напряжения.
Электродиализом наиболее целесообразно очищать тогда, когда можно применять высокие электрические напряжения. В большинстве случаев на начальной стадии очистки системы содержат много растворенных солей, и их электрическая проводимость высока. Поэтому при высоком напряжении может выделяться значительное количество теплоты, и в системах с белками или другими биологическими компонентами могут произойти необратимые изменения. Следовательно, электродиализ рационально использовать как завершающий метод очистки, применив предварительно диализ.
Комбинированные методы очистки. Помимо индивидуальных методов очистки – ультрафильтрации и электродиализа – известна их комбинация: электроультрафильтрация, применяемая для очистки и разделения белков.
Очистить и одновременно повысить концентрацию золя или раствора ВМС можно с помощью метода, называемого электродекантацией. Метод предложен В. Паули. Электродекантация происходит при работе электродиализатора без перемешивания. Частицы золя или макромолекулы обладают собственным зарядом и под действием электрического поля перемещаются в направлении одного из электродов. Так как они не могут пройти через мембрану, то их концентрация у одной из мембран возрастает. Как правило, плотность частиц отличается от плотности среды. Поэтому в месте концентрирования золя плотность системы отличается от среднего значения (обычно с ростом концентрации растет плотность). Концентрированный золь стекает на дно электродиализатора, и в камере возникает циркуляция, продолжающаяся до практически полного удаления частиц.
Коллоидные растворы и, в частности, растворы лиофобных коллоидов, очищенные и стабилизированные могут, несмотря на термодинамическую неустойчивость, существовать неопределенно долгое время. Растворы красного золя золота, приготовленные Фарадеем, до сих пор не подверглись никаким видимым изменениям. Эти данные позволяют считать, что коллоидные системы могут находиться в метастабильном равновесии.
Приложение
| |
Список использованной литературы
1. С. С. Воюцкий, Курс коллоидной химии. Москва, издательство «Химия», 1976г.
2. В. Н. Захарченко, Коллоидная химия. Москва, издательство «Высшая школа», 1989г.
3. Д. А. Фридрихсберг, Курс коллоидной химии. Издательство «Химия», Ленинградское отделение, 1974г.
4. Ю. Г. Фролов, Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Москва, издательство «Химия», 1982г.
5. Е. Д. Щукин, А. В. Перцев, Е. А. Амелина, Коллоидная химия. Москва, издательство «Высшая школа», 1992г.