ЛЕКЦИЯ №7
План лекции:
КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Дисперсные системы могут быть созданы природой или получены искусственно. Способы искусственного получения делятся на две группы:
· диспергирование — получение дисперсной фазы из крупных тел;
· конденсация — укрупнение мелких частиц.
SHAPE \* MERGEFORMAT
ДИСПЕРГИРОВАНИЕ
Диспергирование может быть самопроизвольным и несамопроизвольным. Самопроизвольное диспергирование характерно для лиофильных систем. В отношении лиофобных систем самопроизвольное диспергирование исключено, диспергирование в них возможно путем затраты определенной работы.
Диспергирование характеризуется степенью диспергирования ( a ) . Она определяется отношением размеров исходного продукта и частиц дисперсной фазы полученной системы.
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 диспергирования может 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:
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 методов лежат самопроизвольные процессы, которые сопровождаются 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)
SHAPE \* MERGEFORMAT
Рис.7.2.Схема осмоса (а), обратного осмоса (б), ультрафильтрации и 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:
D р — перепад давления по обе стороны мембраны,
V — объем жидкости, прошедшей через мембраны.
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 процессах набухания 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 сила F , которая заставляет частицы двигаться.
SHAPE \* MERGEFORMAT
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 друга Эйнштейну и Смолуховскому.
В основу их расчетов был взят не истинный путь частиц, а сдвиг частиц (рис.7.4).
SHAPE \* MERGEFORMAT
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)
х1, х2,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 с меньшей концентрацией.
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.
Источник
Методы получения дисперсных систем
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.
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.
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.
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.
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.
Пример окислительной реакции – окисление сероводорода в водной среде:
Примером такой реакции является образование золя сульфида мышьяка (III):
3. Реакции гидролиза.
Гидролиз чаще всего используется для получения золей гидроксидов металлов:
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.
Источник
