Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С.М. Кирова

Кафедра технологии лесохимических продуктов, химии древесины

и физической химии

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО КОЛЛОИДНОЙ

ХИМИИ

Курс лекций по коллоидной химии предназначен для

студентов направления 241000 «Энерго - и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» всех форм обучения

Санкт-Петербург

2013

Рассмотрен и рекомендован к изданию

учебно-методической комиссией факультета химической

технологии древесины и биотехнологии

Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии

23 мая 2013 г.

Составитель

кандидат технических наук, доцент И. П. Шабанова

Отв. редактор

доктор химических наук, профессор Г.Л.Куранов

Рецензент

Кафедра технологии лесохимических продуктов, химии древесины и физической химии сПбГлту

Коллоидная химия: методические указания к практическим работам / сост. И.П. Шабанова. — CПб.: СПбГЛТА, 2013. — 62 с.

В курсе лекций изложены основные закономерности физикохиии дисперсных систем и поверхностных явлений, их устойчивости, учение о поверхностных силах и адсорбции. Курс лекций предназначен студентам очной и заочной форм обучения для подготовки к экзаменам и практическим занятиям по коллоидной хи мии. Темплан 2013 г. Изд. № 2.

Лекция 1

Специфика свойств дисперсных систем

Современная коллоидная химия-это учение о высокораздробленном состоянии вещества, её с полным правом можно назвать наукой о коллоидах и поверхностных явлениях. Коллоид – греческое – коlla - клей и eidos-вид.

Коллоидная химия одна из немногих наук, название которой не соответствует содержанию. Это произошло после опытов Грема (1861г.). В некоторых странах она переименована в «Физическую химию поверхностей» или «Поверхностные явления и коллоиды».

В коллоидной химии понятие дисперсности (раздробленности) простирается на широкую область размеров: от больших, чем простые молекулы, до видимых невооружённым глазом, то есть от 1 до 100нм. Этот диапазон размера частиц охватывает коллоидное состояние, в котором существуют все реальные тела. Т.о. объектом исследования являются все реальные тела и материалы. Главная черта коллоидного состояния – ведущая роль поверхностных явлений.

Коллоидная химия играет важную роль в современном научно- техническом прогрессе. На свойствах коллоидных (дисперсных) систем многих технологии в радиоэлектронике, пищевой и лёгкой промышленности, получение строительных материалов и медицинских препаратов. Исследования поверхностных явлений применяются в биохимии, биофизике и при очистке сточных вод.

В практической деятельности мы редко встречаемся с чистыми веществами, состоящими из одного компонента. Такие вещества, как природная вода, минералы, физиологические жидкости (клеточный сок растений, кровь, молоко) содержат несколько компонентов. Во многих системах один или несколько компонентов находится в виде частиц, распределённых в какой-либо среде. Например, содержит мельчайшие частицы (соли и их ионы), а также более крупные частицы (например, муть-глина), находящиеся во взвешенном состоянии.

Система, содержащая одно или несколько веществ в виде частиц, распределённых в какой-либо среде, называется дисперсной системой (латинское dispersus - рассеянный, рассыпанный). Они делятся на однофазные (гомогенные) и гетерогенные (многофазные). Первые содержат частицы в виде ионов и молекул - это истинные или молекулярно-ионные растворы (например, растворы минеральных солей). В гетерогенных дисперсных системах частицы состоят из большого числа молекул. Наименьшее число фаз в этих системах равно двум. Например, взвесь глины в воде, дым, молоко, почва; всё это гетерогенные системы.

Таким образом, двухфазная, гетерогенная система состоит из какой либо среды (твёрдой - Т, жидкой - Ж, газообразной - Г), в которой находятся частицы раздробленного вещества - её называют дисперсионной средой.

Другую фазу (раздробленное, измельчённое вещество), называют дисперсной фазой.

Признаки объектов коллоидной химии.

1.Гетерогенность, т.е. наличие межфазной поверхности – это универсальный признак.

2.Дисперсность (раздробленность) дисперсной фазы. D – дисперсность, мера раздробленности дисперсной фазы. Это величина, обратная среднему размеру частицы (а), т.е. D=1/а, [1/м].

Причём, а = r, (радиус шарообразной частицы) и а = l (длина ребра куба).

Т.к. частицы имеют неправильную форму, В. Оствальд предложил применять в качестве меры дисперсности удельную поверхность(S), она определяется соотношением общей поверхности всех частиц (s) к их массе (m) или к объёму (v).

Тогда S = s/m, [м/кг] и S = s/v, [1/м].

Таким образом: S = k∙D, из этого соотношения видно, что удельная поверхность прямо пропорциональна дисперсности и обратно пропорциональна размеру частицы

. С уменьшением размера частиц увеличивается дисперсность и соответственно удельная поверхность. Дисперсность является чисто количественным параметром, указывающим на степень раздробленности и наличие межфазной поверхности.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсной фазы и дисперсионной среды. Три агрегатных состояния (Т, Ж, Г) позволяют выделить 9 типов дисперсных систем. Обозначаются они дробью, В числителе – агрегатное состояние дисперсной фазы, а в знаменателе – агрегатное состояние дисперсионной среды.

Табл.1

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Агрегатное состояние дисперсионной среды	Агрегатное состояние дисперсной фазы	Условное обозначение	Тип системы	Примеры
Т	Т	Т/Т	Твёрдые гетерогенные растворы.	Минералы, сплавы, самоцветы, бетон, грунт, композиционные материалы.
Т	Ж	Ж/Т	Пористые тела, капиллярные системы, гели.	Адсорбенты, влажные почвы, минералы (жемчуг – это вода в карбонате кальция). Гели: уголь, торф, влажная древесина, ткань, кожа, зерно, глина.
Т	Г	Т/Г	Пористые тела, капиллярные системы, ксерогели - высушенные гели.	Влажные адсорбенты, катализаторы, пемза, пенопласты, материалы с включением газов.
Ж	Т	Т/Ж	Суспензии (подвешенные), золи (коллоидные растворы).	Промышленные стоки, взвеси, ил, бактерии в воде, золи металлов.
Ж	Ж	Ж/Ж	Эмульсии.	Нефть, кремы, молоко (жир в воде), смазки, касторовое масло в воде, масло в воде (м/в) – прямая эмульсия, а вода в масле маргарин (в/м) – обратная.
Ж	Г	Г/Ж	Пена.	Мыльные пены, газированная вода.
	Т	Т/Г	Аэрозоли.	Пыль, дым, угольная пыль, космическая пыль, порошки.
Г	Ж	Ж/Г	Аэрозоли.	Туман, дым, смог, промышленные облака, облака.
Г	Г	Г/Г	Не существует, т.к. газы растворимы друг в друге.	Это система с местными флуктуациями плотности - атмосфера Земли.

Из представленной классификации видно, что все дисперсные системы можно разделить на два класса: свободнодисперсные и связаннодисперсные.

СВОБОДНОДИСПЕРСНЫЕ системы, в которых дисперсная фаза подвижна

СВЯЗАННОДИСПЕРСНЫЕ системы, в которых дисперсная фаза неподвижна, частицы дисперсной фазы не могут свободно перемещаться в дисперсионной среде

Это суспензии, эмульсии, золи, аэрозоли. Эти системы классифицируют. по размеру частиц. 1.Ультрамикрогетерогенные. а = 10-7 до 10-9 м (от 1 до 100 нм), это золи, которые можно обнаружить только в ультрамикроскопе. Золи с жидкой дисперсионной средой называют лиозолями. В зависимости от природы среды различают гидрозоли (дисперсионная среда – вода), органозоли (органический растворитель): алкозоли – спирты, этерозоли – эфиры. 2.Микрогетерогенные системы. а = 10-7 до10-9 . Частицы не видны. К ним относятся эмульсии, суспензии, пены. 3.Грубодисперсные системы. Размеры частиц больше 10-5 м. Частицы видны в микроскопе или визуально.

Это диафрагмы, капиллярные систем, твёрдые растворы.. Пористые тела классифицируют по М. М. Дубинину: Микропористые (размеры пор до 2 нм), переходнопористые (от 2 до 200 нм), макропористые (больше 200 нм). Системы Т/Т классифицируют по размерам частиц, как свободнодисперсные.

Существует классификация по топографическому признаку, т.е. учитывают различие в форме частиц. Различают три вида систем.

наименование	Вид частиц	а× в× с	S
корпускулярные	Частицы малы по всем размерам	10-7× 10-7 × 10-7	6 ×107
Фибриллярные (волокнистые)	Частицы малы по 2 размерам	1× 10-7× 10-7	4 ×107
Ламинарные (плёночные)	Частицы малы по 1 размеру	1 ×10 × 10-7	2 ×107

Где: а – длина, в - ширина, с – высота частицы в м, S – удельная поверхность в 1/м.

Из таблицы видно, что в системах, содержащих анизодиаметрические частицы ( со значительным отношением минимального размера от максимального), удельная поверхность не зависит от площади плёнки или длины волокна.

Иногда системы классифицируют по числу атомов, образующих коллоидную частицу по Г. Штаундингеру. К грубодисперсным системам относя системы, в которых частицы, содержат 10⁹ атомов. К ультрамикрогетерогенным с числом атомов от10³ до 10⁹ .Молекулярные системы по данной классификации содержат 10³ атомов. Здесь не учитывается свойства дисперсионной среды и дисперсной фазы.