Билет 29. Классификация гетерогенных дисперсных систем по степени дисперсности и агрегатному состоянию.

Дисперсные системы - образования из двух или большего числа фаз (тел) с сильно развитой поверхностью раздела между ними. В дисперсных системах по крайней мере одна из фаз — дисперсная фаза — распределена в виде мелких частиц (кристалликов, нитей, плёнок или пластинок, капель, пузырьков) в другой, сплошной, фазе — дисперсионной среде.

Классифицируют по дисперсности, агрегатному состоянию фазы и среды, интенсивности взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур в дисперсных системах

Степень дисперсности — величина, обратная размеру дисперсных частиц. D=1/l (один делить на эль) — количественная характеристика раздробленности вещества.

По степени дисперсности делятся на грубо (низко) дисперсные и тонко (высоко) дисперсные, или коллоидные системы. В грубодисперсных системах частицы имеют размер от 10^-4 см и выше, в коллоидных — от 10^-4—10^-5 до 10^-7 см.

По агрегатному состоянию дисперсионной среды различают газодисперсные системы — аэрозоли (туманы, дымы), пыль; жидкодисперсные — золи, суспензии, эмульсии, пены; твёрдодисперсные — стеклообразные или кристаллические тела с включениями мельчайших твёрдых частиц, капель жидкости или пузырьков газа. Пыль, суспензии, лиофобные эмульсии — грубодисперсные системы; как правило, они седиментационно неустойчивы, т. е. их частицы оседают под действием силы тяжести или всплывают. Золи — типичные высокодисперсные коллоидные системы, частицы дисперсной фазы которых (мицеллы) участвуют в броуновском движении и потому седиментационно устойчивы.

Если дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой – твердые частицы, система называется взвесью или суспензией; если дисперсная фаза представляет собой капельки жидкости, то систему называют эмульсией. Эмульсии, в свою очередь, подразделяют на два типа: "масло в воде" (когда дисперсная фаза – неполярная жидкость, а дисперсионная среда – полярная жидкость) и "вода в масле" (когда полярная жидкость диспергирована в неполярной). Гели (от лат. gelo — застываю), дисперсные системы с жидкой или газообразной дисперсионной средой, обладающие некоторыми свойствами твёрдых тел: способностью сохранять форму, прочностью, упругостью, пластичностью. Эти свойства Г. обусловлены существованием у них структурной сетки (каркаса), образованной частицами дисперсной фазы, которые связаны между собой молекулярными силами различной природы. Типичные Г. в виде студенистых осадков (коагелей) образуются из золей при их коагуляции или в процессах выделения новой фазы из пересыщенных растворов как низко-, так и высокомолекулярных веществ. Г. с водной дисперсионной средой называют гидрогелями, с жидкой углеводородной средой — органогелями. Отверждение золей во всём объёме без выделения осадка и нарушения их однородности даёт т. н. лиогели.

Билет 30.

Микрогетерогенность – главный признак коллоидно-дисперсных систем.

Мицелла- структурная единица кдс

Движение дисперсной фазы – электрофорез, дисперсионной среды – электроосмос.

Для кдс характерно явление опалесценции (рассеивание света) –размеры кол. Частиц соизмеримы с размерами половины длины волны.

КДС характеризуются кинетической и агрегативной устойчивостью.

КУ- диффузия компенсирует силу тяжести. АУ- со временем частицы не укрупняются в размерах.

Электрокинетические явления
Внешняя разность потенциалов вызывает взаимное перемещение фаз		Взаимное перемещение фаз создает разность потенциалов
Движение жидкой фазы	Движение твердой фазы		Движение твердой фазы	Движение жидкой фазы
Электроосмос	электрофорез		Потенциал оседания	Потенциал течения

Коагуляция – процесс, протекающий в результате нарушения агрегативной устойчивости и укрупнения коллоидных частиц, что вызывает образование геля.

Один из важнейших способов нарушения агрегативной устойчивости кдс – добавление электролитов. При чем коагуляцию вызывают лишь те ионы электролита, которые имеют тот же знак, что и ионы диф. Слоя.

Грубодисперсные системы. Эмульсии. Эмульсией называется система, состоящая из двух взаимно не растворимых жидких фаз, одна из которых распределена в другой виде мельчайших капелек. Эмульсии как правило неустойчивы и разрушаются при хранении. Образование устойчивых эмульсий возможно только в присутствии стабилизаторов- эмульгаторов.

Пены. Пеной называется дисперсная система, состоящая из ячеек, заполненных газом и отделенных друг от друга пленкой жидкости очень малой толщины.

Изменение структуры пены с течением времени происходит вследствие вытекания из нее жидкости и разрыва пленок. Разрушение пен можно ускорить введением в них ПАВ, не образующих прочные гелеобразные слои.

Суспензии -это дисперсные системы, представляющие собой взвеси твердых частиц в жидкостях, концентрированные суспензии называются иногда пастами. Частицы суспензии – это мелкие кристаллики, практически нерастворимые в окружающей их жидкости. Неустойчивость суспензий выражается в осаждении твердой фазы- седиментации, скорость которой зависит от размеров частиц, температуры и вязкости среды.

Билет 31. Поверхностные явления в дисперсных системах Поверхностное натяжение. Поверхностная энергия. Поверхностно-активные вещества и их адсорбация на границе раздела фаз жидкость-газ и жидкость-жидкость. Изотермы адсорбации и поверхностного натяжения.

Внутри объема чистого вещества молекула окружена себе подобными. В пограничном слое молекулы находятся во взаимодействии или с разным числом молекул, или с молекулами различной химической природы. Чем больше различие, тем больше потенциальная энергия межфазовой поверхности, кратко называемая поверхностной энергией.

Работу, затрачиваемую на изотермическое и обратимое образование единицы новой поверхности раздела фаз и равную изменению энергии Гиббса в соответсвующем процессе, называют поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение жидкости часто определяют как силу, действующую на единицу длины контура поверхности раздела фаз и стремящуюся сократить эту поверхность до минимума. Благодаря поверхностному натяжению капля жидкости при отсутствии внешних воздействий принимает форму шара. Выражается в Дж на м². Все самопроизвольные процессы происходят в направлении уменьшения энергии Гиббса.

Если поверхностное натяжение постоянно, частицы со временем слипаются и дисперсность уменьшается. Это приводит к разрушению дисперсной системы — эмульсии расслаиваются, коллоидные растворы коагулируют. Способность раздробленных систем сохранять присущую им степень дисперсности называется агрегативной устойчивостью.

Сорбция — любой процесс поглощения одного вещества(сорбтива) другим(сорбентом). В зависимости от механизма разделяют на адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.

Адсорбцией называют изменение концентрации на границе раздела фаз. Уменьшается с повышением температуры.

Изотерма поверхностного натяжения — зависимость пов. нат. растворов при постоянной температуре от концентрации растворенного вещества. Растворенные вещества или понижают поверхностное натяжение (поверхностно-активные вещества, ПАВы), или понижают его (поверхностно-инактивные вещества, ПИАВы), или не влияют на величину пов. нат-я растворителя. Действие ПАВ обусловлено повышенной молекулярной массой и особенностью строения молекул, состоящих из полярных (гидрофильных) и неполярных (гидрофобных) структурных единиц. При растворении молекулы ПАВ способны диссоциировать на ионы (ионогенные) или переходить в р-р в мономолекулярном состоянии (неионогенные).

Изотермы поверхностного натяжения растворов (сигма — пов. нат. С — концентрация раствора). 1 — 2 растворы ПАВ с большей (1) и меньшей (2) поверхностной активностью. 3 — раствор ПИАВ.

В зависимости от состояния ПАВ в растворе условно различают истинно растворимые (молекулярно-диспергированные) и коллоидные ПАВ.Разность концентраций растворенного вещества в поверхностном слое и в таком же слое внутри объема раствора называют поверхностным избытком и обозначают Г(гамма). ПАВ положительно адсорбируются в поверхностном слое и поэтому для них Г>0. При этом поверхностное натяжение уменьшается. ПИАВ — Г<0 — пов.нат. увеличивается. Изотерма поверхностного избытка(такая штука как график игрек равно корень из икс — вправо вверх из нуля с изгибом вверх, при этом имеющая горизонтальный предел. Правая ось С, верхняя Г). С увеличением концентрации раствора гамма достигает предельного значения, когда весь поверхностный слой занят молекулами ПАВ. В таких насыщеных мономолекулярных поверхностных слоях молекулы ориентированы полярной группой к полярной фазе(напр. воде), а неполярным углеводородным радикалом к неполярной фазе, образуя подобие частокола.

Билет 32. Адсорбация из растворов электролитов. Ионная и ионно-обменная адсорбация. Иониты — катиониты и аниониты.

При адсорбции электролитов преимущественно адсорбируются или катионы. или анионы, которые заменяются на эквивалентное количество ионов того же знака из адсорбента. Раствор остается при этом электронейтральным. Таким образом, адсорбция электролитов происходит путем эквивалентного обмена ио­нов одинакового знака, а потому получила название ионообменной адсорбции. Ионообменный механизм адсорбции электролитов первоначально был подмечен агрономами и почвоведами при вытеснении одних ионов почвенных электроли­тов другими. К. К. Гедройц доказал (1918 г.) эквивалентность обмена катионов в почвах и создал учение о почвенном поглощающем комплексе (высокодис­персной органоминеральной части почвы), обусловливающем способность почв удерживать необходимые растениям растворимые соли в доступной для корне­вого питания форме.

Неорганические и органические материалы, способные к обмену ионов, по­лучили название ионитов. Их делят на катиониты (для обмена катионов) и аниониты (для обмена анионов). Разнообразные синтетические ионообменные материалы химической промышленностью выпускаются в виде зернистых по­рошков, волокон и мембран.

Органические и неорганические иониты нерастворимы в воде. Они предста­вляют собой трехмерный каркас, в который включены несущие заряд группы атомов, называемые потенциалопределяющими ионами. Ионы противоположно­го знака называют противоионами. Они связаны с потенциалопределяющими ионами каркаса электростатическими силами, а потому способны к обмену на другие ионы. Так, структуру: стекла составляет трехмерная сетка кремнекислородных (силикатных) ионов. В пустотах этой трехмерной кремнекислородной решетки находятся катионы щелочных или щелочноземельных металлов, удерживаемые электростатическими силами и способные к обмену на другие катионы в частности, на ионы водорода.

В органических ионитах трехмерный каркас образован сеткой из углерод-ых атомов, с которыми ковалентно связаны, например, сульфо-, карбокси- или метил аммоний-группы:

Рис. 10.11 иллюстрирует обмен катионов на Н+-форме катионита и обмен ани-нов на ОН~-форме анионита. Ионный обмен является обратимым процессом.

Катионит как .поливалентный электролит с .электровалентностью х запишем схематично как Rx- Тогда после внесения,Н+ формы катионита в раствор электролита, например, NaCl, установится равновесие:

хН+ + xNaCl Rx-(x-y)H+yNa+ + (x-y)NaCl + yHCI

Максимальное количество ионов, которое поглощается обменным путем 1 г ио­нита, называют емкостью поглощения, или обменной емкостью 4). Она достигает —10. ммоль экв/г. Ионообменное равновесие определяется природой ионита, ги-дратацией обменивающихся ионов, их концентрацией в фазе ионита и в растворе. обмен разновадентных ионов зависит также, от величины их заряда. Большой вклад в разработку теории и практики ионного обмена внес Б.П. Никольский.