МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный университет технологий и управления (образован в 1953 году) Кафедра органической, физической и коллоидной химии Дистанционное обучение Хим.орг. – 5.22.2701.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2701.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2701.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2701.зчн.плн. Хим.орг. – 5.22.2703.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2703.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2703.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2703.зчн.плн. Хим.орг. – 5.22.2704.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2704.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2704.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2704.зчн.плн. Хим.орг. – 5.22.2705.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2705.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2705.зчн.скр . Хим.орг. – 5.22.2705.зчн.плн. Хим.орг. – 5.22.2707.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2707.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2707.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2707.зчн.плн. Хим.орг. – 5.22.2708.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2708.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2708.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2708.зчн.плн. Хим.орг. – 5.22.2710.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2710.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2710.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2710.зчн.плн. Хим.орг. – 5.22.2712.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2712.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2712.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2712.зчн.плн. Хим.орг. – 5.22.0135.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.0135.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.0135.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.0135.зчн.плн. А.Д.ЗИМОН, А.М. ЕВТУШЕНКО, И.Г. КРАШЕНИННИКОВА ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ Раздел первый Часть I Учебно-практическое пособие для студентов технологических специальностей всех форм обучения www.msta.ru Москва - 2004 4136

УДК: 541.18

© Зимон А.Д., , Евтушенко А.М., Крашенинникова И.Г. Учебно-практическое пособие – М., МГУТУ, 2004.

В первой части учебного пособия, раздел первый, по коллоидной химии излагается материал – классификация пищевых дисперсных систем и поверхностные явления. Материал изложен с учетом особенностей многочисленных дисперсных систем, встречающихся в различных отраслях промышленного и сельскохозяйственного производства и в природных явлениях.

Пособие предназначено для студентов технологических специальностей 2, 3,4 курса всех форм обучения.

Авторы: Зимон Анатолий Давыдович, Евтушенко Анатолий Михайлович, Крашенинникова Ирина Геннадьевна.

Рецензенты: Профессор, д.х.н. «Синтез полимеров» МГАТХТ ми. М.В. Ломоносова Прокопов Н.И.

Доцент, к.х.н. каф. «Органической и биологической химии» МГАВМиБ им. К.И. Скрябина Царькова М.С.

Редактор: Свешникова Н.И.

© Московский государственный университет технологий и управления, 2004

109004, Москва, Земляной вал, 73.

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

Кафедра органической, физической и коллоидной химии 1

УДК: 541.18 2

© Зимон А.Д., , Евтушенко А.М., Крашенинникова И.Г. Учебно-практическое пособие – М., МГУТУ, 2004. 2

Пособие предназначено для студентов технологических специальностей 2, 3,4 курса всех форм обучения. 2

Авторы: Зимон Анатолий Давыдович, Евтушенко Анатолий Михайлович, Крашенинникова Ирина Геннадьевна. 2

Рецензенты: Профессор, д.х.н. «Синтез полимеров» МГАТХТ ми. М.В. Ломоносова Прокопов Н.И. 2

Доцент, к.х.н. каф. «Органической и биологической химии» МГАВМиБ им. К.И. Скрябина Царькова М.С. 2

Редактор: Свешникова Н.И. 2

© Московский государственный университет технологий и управления, 2004 3

В В Е Д Е Н И Е 4

Р а з д е л п е р в ы й 5

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ 5

Г л а в а 1 5

ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ 5

1.1.Коллоидная химия — наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах 6

1.2. Классификация дисперсных систем 8

1.3. Характеристика дисперсной фазы 16

Г л а в а 2 20

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ 20

2.1. Термодинамические основы поверхностных явлений 20

2.2. Энергетический и силовой аспекты поверхностного натяжения 22

2.3. Поверхностные явления как результат самопроизвольных процессов уменьшения поверхности раздела фаз и поверхностного натяжения 26

2.4. Особенности искривленной поверхности раздела фаз 31

Г л а в а 3 35

АДГЕЗИЯ 35

3.1. Виды адгезии 35

3.2. Термодинамические основы адгезии 37

3.3. Адгезия жидкости и смачивание 38

3.4. Особенности адгезии жидкости и смачивания 44

ТЕСТЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОРАБОТКИ. 48

ОТВЕТЫ НА ТЕСТЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОРАБОТКИ. 50

ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ. 51

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 52

Учебно-практическое пособие 53

В В Е Д Е Н И Е

Большинство веществ и материалов, которые возникают естественным или создаются искусственным путем, находятся в раздробленном (дисперсном) состоянии. Подобное состояние характерно для сырья, полуфабрикатов и конечной продукции различных промышленных и сельскохозяйственных производств для грунта, почвы, атмосферы и водоемов Земли и процессов в Космосе.

Особые свойства веществ и материалов, обусловленные их раздробленностью, изучает коллоидная химия — наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях.

В виде самостоятельной науки коллоидная химия сформировалась в 60-х годах прошлого столетия. Пионерами отечественной коллоидной химии были А.В.Думанский, Н.П.Песков и И.И.Жуков, которые разработали основы этой науки. В результате трудов П.А.Ребиндера, Б.В.Дерягина, М.М.Дубинина и других ученых были созданы отечественные научные школы и разработаны теоретические и прикладные аспекты различных разделов коллоидной химии.

Современная коллоидная химия существенно расширила сферу своей «деятельности» и превратилась в одну из фундаментальных химических наук. Коллоидно-химические закономерности проявляются в самых разнообразных отраслях промышленного и сельскохозяйственного производств, растительном и животном мире, а также практически во всех сферах деятельности человека.

Коллоидная химия является базовой дисциплиной, которая определяет становление высококвалифицированных специалистов различных отраслей промышленности. Технология отдельных производств в значительной степени является технологией дисперсных систем. Поэтому излагаемый в учебнике материал иллюстрируется примерами, в которых разъясняется, где, когда и в чем проявляются коллоидно-химические процессы; оцениваются численные показатели, характеризующих определенные явления; рассматриваются особенности различных видов дисперсных систем, определяющих свойства выпускаемой продукции и некоторые технологические процессы.

В начале каждого раздела дается аннотация, в которой раскрывается основное содержание и последовательность изложения материала раздела. Авторы рекомендуют перед изучением каждого раздела прочитать аннотацию с тем, чтобы познакомиться с содержанием раздела. После проработки раздела следует снова вернуться к аннотации и убедиться, насколько полно усвоено содержание этого раздела.

Каждой главе предшествует краткое введение, а в заключении приведены расчетные упражнения, которые иллюстрируют фундаментальные представления.

В конце учебника приведен словарь основных коллоидно-химических терминов, понятий и явлений. К сожалению, они трактуются в различных источниках по-разному. Поэтому авторы для их определения использовали те, которые приведены во втором издании «Химической энциклопедии» (М.: Советская энциклопедия, 1983) и «Химическом энциклопедическом словаре» (М.: Советская энциклопедия, Большая Российская энциклопедия. Т. 1—5, 1983—1998).

Словарь одновременно является предметным указателем, что поможет читателю ориентироваться в содержании учебника, а при необходимости акцентировать внимание на конкретных вопросах.

Коллоидная химия, как и другие современные науки, постоянно развивается и совершенствуется. Поэтому там, где это целесообразно, изложены также нерешенные и неоднозначно трактуемые проблемы.

Следует отметить, что в существующих учебниках по коллоидной химии незаслуженно мало внимания уделено аэрозолям. Между тем охрана окружающей среды, создание безотходных технологий и рациональное использование сырья, зависят от свойств аэрозолей. Системы с твердой дисперсионной средой порой даже не упоминаются, хотя подобные системы дают возможность получить материалы с заранее заданными свойствами, что определяет технический прогресс во многих отраслях.

Авторы надеются, что предлагаемое пособие поможет студентам усвоить основы коллоидной химии и будет способствовать более глубокому пониманию специальных технологических курсов.

Р а з д е л п е р в ы й

Поверхностные явления

В этом разделе изложено то общее, что объединяет многочисленные дисперсные системы — объекты коллоидной химии. Это общее — большая удельная поверхность и избыток поверхностной энергии, которые взывают поверхностные явления. Несмотря на особенности различных поверхностных явлений (адгезии, адсорбции, образования двойного электрического слоя) причина их возникновения одна и та же и определяется свойством самих дисперсных систем, а именно — погашением избытка поверхностной энергии. Причем подобное погашение происходит самопроизвольно.

Возможность самопроизвольных процессов зиждется на фундаментальных представлениях химической термодинамики, излагаемых в курсе физической химии. Без этих представлений коллоидная химия превратилась бы в описательную науку. Не случайно один из основателей отечественной коллоидной химии академик П.А.Ребиндер считал, что фундаментами и стенами химических наук является физическая химия, а завершает строительство этого своеобразного здания коллоидная химия.

Г л а в а 1

Характеристика и классификация дисперсных систем

Дисперсные системы гетерогенны. Они состоят по крайней мере из двух фаз, одна из которых обязательно раздроблена, а другая — непрерывна, или нераздробленна.

Раздробленность приводит к резкому увеличению поверхности раздела фаз, а это в свою очередь придает дисперсным системам особые, характерные только для них свойства, т.е. количественные изменения, приводят к возникновению нового качества — дисперсности, функциями которой становятся свойства системы. Таким образом, переход количества в качество – наиболее характерная особенность дисперсных систем.

Для того, чтобы разобраться в особенностях многочисленных дисперсных систем, прежде всего следует рассмотреть их классификацию. В основу классификации положены агрегатное состояние фаз дисперсных систем, размеры и форма раздробленной фазы. Классификация поможет рассмотреть коллоидно-химические свойства различных дисперсных систем, в том числе и их представителей применительно к отраслям промышленного и сельскохозяйственного производств.

1.1.Коллоидная химия — наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах

Своим названием коллоидная химия обязана коллоидам, или коллоидным растворам. В истинных растворах вещество раздроблено до молекул, а между растворенными веществами и растворителем отсутствует граница раздела фаз. Мельчайшие частицы коллоидных растворов, которые нельзя увидеть в обычный микроскоп, составляют одну фазу, а среда, в которой они находятся, — другую.

Современная коллоидная химия существенно расширила свои границы. Ее объектами являются дисперсные системы, размеры частиц которых могут быть значительно больше размеров частиц коллоидных растворов, а сами коллоидные растворы составляют лишь один из видов дисперсных систем.

Дисперсные системы, как правило, многофазны; они состоят из двух и более фаз, т.е. гетерогенны. Раздробленную (прерывную) часть дисперсной системы принято называть дисперсной фазой, а нераздробленную (непрерывную) — дисперсионной средой. Между дисперсной фазой и дисперсионной средой образуется граница раздела. Необходимым условием образования дисперсных систем является нерастворимость или ограниченная взаимная растворимость дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Итак, дисперсные системы — это такие гетерогенные системы, которые состоят, по крайней мере из двух фаз, одна из них — дисперсная фаза — является раздробленной (прерывной), а другая — дисперсионная среда — представляет собой нераздробленную (непрерывную) часть системы (рис. 1.1).

Р аздробленность приводит к резкому увеличению поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Для оценки межфазовой границы поверхность раздела фаз В относят к единице массы дисперсной фазы М:

В_уд = В/М, м²/кг. (1.1)