Федеральное агентство по образованию
|
Тверской государственный технический университет |
Кафедра биотехнологии и химии |
|
|
Методические указания для лабораторных работ
по курсам «Поверхностные явления и дисперсные системы» и «Коллоидная химия»
для студентов специальности 020101 Химия, 240901 Биотехнология, 320700 Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов и 240501 Химические технологии высокомолекулярных соединений.
|
Тверь 2009 |
УДК 514.18:74 (075.8) ББК 24.6:30.11 я 7 Методические указания будут полезны студентам при усвоении и закреплении лекционного материала при изучении курсов «Поверхностные явления и дисперсные системы» и «Коллоидная химия» Приведены контрольные вопросы и задачи по основным темам курсов. Методические указания выдают каждому студенту при изучении курса. |
|||
Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры Биотехнологии и химии (протокол № 9 от 7 мая 2009 г.). |
|||
|
|||
|
|||
Методические указания для лабораторных работ по курсам «Поверхностные явления и дисперсные системы» и «Коллоидная химия» для студентов специальности 020101 Химия, 240901 Биотехнология, 320700 Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов и 240501 Химические технологии высокомолекулярных соединений.
|
|||
Составители Э.М. Сульман, В.Г. Матвеева, О.В.Кислица, О.В. Манаенков |
|||
Редактор Ю.Ф.Воробьева |
|||
Технический редактор Г.В. Комарова
|
|||
________________________________________________________________
_______________________________________________________________ РИЦ ТГТУ
© Тверской государственный технический университет, 2009
|
Программа курса коллоидной химии
Термодинамика поверхностных явлений. Общая характеристика поверхностного слоя и его энергии. Два способа описания термодинамики поверхностных явлений. Поверхностная энергия в общем уравнении 1-го и 2-го начал термодинамики. Параметры, величины и формы слоя. Поверхностное натяжение как мера энергии Гиббса межфазной поверхности. Уравнение Гиббса-Гельмгольца для внутренней (полной) энергии поверхностного слоя.
Поверхностное натяжение и адсорбция. Определение адсорбции. Изотерма, изопикна, изостера адсорбции и дифференциальное соотношение между ними. Фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса. Гиббсовская адсорбция. Частные случаи уравнения Гиббса. Поверхностная активность веществ и ее характеристика. ПАВ и ПИАВ. Строение молекул специфических ПАВ и его влияние на величину поверхностной активности. Правило Траубе.
Адгезия и когезия. Природа сил взаимодействия при адгезии. Краевой угол смачивания и уравнение Юнга. Лиофильность и лиофобность поверхностей. Дифференциальная и интегральная теплота смачивания. Выражение дифференциальной теплоты смачивания через давление пара жидкостей. Условия растекания жидкостей. Механизм растекания на жидких и твёрдых телах. Изменение гидрофильности и гидрофобности поверхностей с помощью ПАВ (воздействие на смачивание и растекание). Межфазное натяжение на границе раздела двух жидкостей и правило Антонова. Значение явлений адгезии и смачивании в технике и химической технологии. Материалы на основе наполнители и связующего. Покрытия, склеивание. Трение и смазка. Гидрофобные материалы. Флотация.
Дисперсность как термодинамический параметр. Правило фаз Гиббса для дисперсных систем. Капиллярный метод определения поверхностного натяжения. Капиллярное давление между параллельными пластинами. Принцип ртутной порометрии. Капиллярность в природе и технике. Связь энергии Гиббса с кривизной поверхности тела. Уравнение Кельвина. Влияние дисперсности на растворимость, равновесие химической реакции. Определение межфазного натяжения между твердым телом и жидкостью по изменению растворимости от величины дисперсности. Влияние дисперсности на температуру фазового перехода. Изменение поверхностного натяжения с дисперсностью. Использование термодинамических свойств дисперсных тел в технике и химической технологии.
Диспергирование и конденсация - два способа получения дисперсных систем. Диспергирование в народном хозяйстве. Прочность материалов и дефекты структуры. Эффект Ребиндера. Представление о самопроизвольном диспергировании. Методы конденсационного образования новых фаз. Метастабильные состояния. Характеристики пересыщения. Уравнение энергии Гиббса образования зародышей при гомогенной конденсации. Критический радиус зародыша. Уравнение скорости зарождения центров конденсации. Уравнение линейной скорости конденсации. Управление дисперсностью образующейся фазы. Влияние внесенных извне центров конденсации. Гетерогенная конденсация. Примеры получения дисперсных систем методами физической и химической конденсации. Значение процессов возникновения новых фаз в технике и химической технологии.
Взаимодействие при адсорбции. Классификация механизмов адсорбции (физическая адсорбция, хемосорбция, ионообменная адсорбция). Природа адсорбционных сил. Особенности составляющих сил Ван-дер-Ваальса (ориентационных, индукционных, дисперсионных) при адсорбции. Уравнение для потенциальной энергии взаимодействия атома (молекулы) с поверхность и тела.
Адсорбция на однородной поверхности. Условия равновесия между поверхностным слоем и объемной фазой. Условия фазового равновесия и закон Генри. Уравнение мономолекулярной адсорбции Ленгмюра и его анализ. Линейная форма изотермы Ленгмюра. Константа адсорбционного равновесия. Уравнение Фрейндлиха. Уравнение изотермы полимолекулярной адсорбции (БЭТ). Физический смысл констант в уравнении БЭТ. Линейная формa уравнения БЭТ и расчет его констант. Определение теплоты и энтропии адсорбции. Изостерическая теплота адсорбции. Кинетика адсорбции. Особенности хемосорбции. Активированная и неактивированная адсорбция.
Адсорбция на пористых материалах. Пористые материалы – дисперсные системы с твердой дисперсионной средой. Пористость. Высокопористые материалы корпускулярной, кристаллической и губчатой структуры и методы их получения. Определение удельной поверхности пористых тел с корпускулярной структурой из размеров корпускул. Классификация пор по Дубинину и теория адсорбции на пористых адсорбентах.
Капиллярная конденсация. Капиллярно-конденсационный гистерезис. Распределение пор по размерам.
Теория объемного заполнения пор Дубинину. Особенности микропористых адсорбентов. Молекулярно-ситовой эффект (цеолиты). Применение потенциальной теории Поляни в теории объемного заполнения пор. Адсорбционный потенциал. Характеристическая кривая зависимости адсорбционного потенциала от объема адсорбата в порах и ее афинность по отношению к разным адсорбатам. Общее уравнение объемного заполнения микропор и его анализ. Природа и структура адсорбентов и его свойства. Применение адсорбции газов и паров в промышленности. Адсорбция и катализ.
Обменная молекулярная адсорбция из растворов. Особенности адсорбции из жидких растворов. Уравнение Гиббса для обменной адсорбции. Зависимость гиббсовской адсорбции от состава бинарного раствора. Уравнение изотермы обменной молекулярной адсорбции из растворов с константой обмена и ее анализ. Сорбционная азеотропия. Влияние на молекулярную адсорбция из растворов химической природы адсорбента, размеров его пор и свойств компонентов раствора.
Адсорбция ПАВ. Применимость уравнений Ленгмюра и Генри для описания адсорбции ПАВ из растворов. Зависимости поверхностного натяжения от состава раствора при соблюдении закона Генри и уравнения Ленгмюра. Поверхностное давление адсорбционных: пленок. Связь изотерм адсорбции с уравнениями двухмерного состояния вещества. Состояние мономолекулярных пленок на поверхности жидкости и факторы, их определяющие. Весы Ленгмюра. Строение адсорбционных слоев ПАВ и определение величины и формы их молекул.
Ионообменная абсорбция. Природные и синтетические иониты. Принципы синтеза ионообменных смол. Классификация ионитов по их основности. Полная и динамическая емкости. Уравнение константы ионного обмена и формула Никольского. Набухание и селективность ионитов. Изотерма ионного обмена.
Открытие Цвета. Основные принципы и сущность хроматографии. Газовая и жидкостная хроматография, их классификация. Классификация жидкостной хроматографии по механизмам сорбции. Фронтальный, элютивный и вытеснительный виды разделения. Принцип устройства хроматографов. Уравнение скорости перемещения хроматографических зон в зависимости от вида сорбции и его анализ. Хроматограмма. Степень разделения. Основные элюционные характеристики. Распределительная, осадительная хроматография. Бумажная хроматография. Применение хроматографии в промышленности.
Поверхностное натяжение и электрический потенциал. Механизмы образования двойных электрических слоев (ДЭС). Связь межфазного электрического потенциала с поверхностным натяжением - уравнение Липмана. Электрический потенциал и гиббсовская адсорбция ионов. Уравнение электрокапиллярной кривой и его анализ. Потенциал точки нулевого заряда. Экспериментальное исследование электрокапиллярных кривых и определение плотности заряда двойного слоя. Различия между экспериментальными и теоретическими электрокапиллярными кривыми. Влияние адсорбции ПАВ и ионов на электрокапиллярную кривую.
Общая характеристика строения ДЭС. Уравнение Пуассона-Больцмана и его решение для слабозаряженных поверхностей. Анализ соотношения между потенциалом и расстоянием в ДЭС (уравнение Гуи-Чепмена). Толщина ДЭС и виляние на нее различных факторов. Соотношение между поверхностным и объемным зарядами ДЭС. Емкость ДЭС. Учет специфической адсорбции по Штерну. Перезарядка. Строение мицелл.
Четыре вида электрокинетических явлений. Электрические явления и влияние на них различных факторов. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского для электроосмоса и электрофореза. Метода определения электрокинетического потенциала. Потенциал течения и потенциал седиментации. Практическое использование электрокинетических явлений.
Седиментация и дисперсионный анализ. Аэрозоли, порошки, суспензии, эмульсии и их классификация по дисперсности, концентрации. Закон Стокса при седиментации. Уравнение седиментации в центробежном поле. Принципы седиментационного анализа. Связь размеров частиц со скоростью их осаждения и количеством выпавшего осада в монодисперсной системе. Седиментационный анализ полидисперсных систем. Анализ кривой седиментации. Построение кривой распределения частиц по радиусам. Определение удельной поверхности. Способы расчетов средних размеров частиц и полидисперсность. Использование седиментации при классификации материалов по размеру частиц дисперсной фазы. Улавливание аэрозолей - очистка газов, осаждение суспензий.
Броуновское движение и его молекулярно-кинетическая природа. Средняя кинетическая энергия и скорость движения частиц. Средний сдвиг как характеристика интенсивности броуновского движения. Соотношение между средним сдвигом и коэффициентом диффузии (уравнение Эйнштейна-Смолуховского). Экспериментальное подтверждение закона и следствия. Использование осмотических свойств дисперсных систем для определения концентраций и размеров частиц. Мембранные равновесия. Соотношение между диффузионным и седиментационым потоками и классификация свободнодисперсных систем по дисперсности. Диффузионно-седиментационное равновесие в золях, гипсометрический закон. Седиментационная устойчивость. Кинетические и термодинамические факторы седиментационной устойчивости.
Явления, происходящие при направлении света на дисперсную систему, светопоглощение и светорассеяние. Эффект Тиндаля. Использование оптических свойств для определения дисперсности и удельной поверхности систем. Уравнение Релея для светорассеяния и его анализ. Нефелометрия как метод определения концентрации и дисперсности в коллоидных системах. Влияние анизометрии и ориентации частиц. Двойное лучепреломление в дисперсных системах. Определение формы частиц. Оптическая плотность окрашенных систем и уравнение Бугера-Ламберта-Бера. Влияние дисперсности на окраску систем. Турбидиметрия - метод определения концентрации и дисперсности по фиктивному светопоглощению. Влияние дисперсности на рассеяние света. Ультрамикроскопия и ее возможности. Конденсоры темного поля. Определение концентрации золей и размеров частиц. Проточный ультрамикроскоп. Электронная микроскопия для исследования размеров и формы частиц.
Расклинивающее давление. Способы агрегации в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды. Два вида устойчивости по Пескову. Агрегативная устойчивость и расклинивающее давление. Лиофильные и лиофобные системы: самопроизвольное образование одних и необходимость стабилизации других. Критерий лиофильности и лиофобности систем по Ребиндеру. Термодинамическая устойчивость лиофильных систем и факторы ее обуславливающие: малое поверхностное натяжение и энтропийный фактор. Факторы, обеспечивающие кинетическую устойчивость лиофобных систем.
Ионогенные и неионогенные коллоидные ПАВ. Самопроизвольное мицеллообразование в растворах ПАВ как следствие строения молекул. Формы мицелл при разных концентрациях и средах. Критическая концентрация мицеллообразования методы ее определения. Применение теории ассоциированных растворов к растворам ПАВ. Солюбилизация. Гидрофильно-гидрофобный баланс. Механизм моющего действия ПАВ. Применение коллоидных ПАВ в промышленности.
Виды проявления агрегативной неустойчивости лиофобных дисперсных систем. Кинетика коагуляции по Смолуховскому. Вывод уравнений для скорости коагуляции. Эффективность соударений между частицами и потенциальный барьер. Константа скорости коагуляции. Зависимость общего числа частиц от времени коагуляции. Время половинной коагуляции. Уравнение для числа частиц данного порядка. Быстрая (диффузионная) и медленная (барьерная) коагуляция. Кинетические факторы агрегативной устойчивости дисперсных систем. Влияние вязкости, температуры и концентрации на агрегативную устойчивость. Сольватация, образование адсорбционных слоев ПАВ и двойного электрического слоя - факторы снижения поверхностного натяжения и повышения потенциального барьера. Выбор метода стабилизации в зависимости от природы компонентов дисперсных систем.
Значение теории ДЛФО для получения, разрушения дисперсных систем и структурообразования в них. Электростатическая составляющая расклинивающего давления. Вывод уравнения для расклинивающего давления - энергии электростатического отталкивания при взаимодействии слабозаряженных поверхностей. Вывод уравнения для энергии притяжения между частицами (пластинами). Постоянная Гамакера. Общее уравнение и потенциальные кривые взаимодействия дисперсных частиц и их анализ. Порог коагуляции. Пептизация коагулятов. Нейтрализационная и концентрационная коагуляция. Вывод зависимости порога коагуляции от заряда иона электролита. Правило Шульца-Гарди. Влияние факторов, не учитываемых теорией ДЛФО. Закон шестой степени Дерягина.
Общие сведения о механизме структурообразования. Структурообразование как частный случай коагуляция. Образование структур по теория ДЛФО. Тиксотропия и коагуляционно-тиксотропные структуры. Периодические коллоидные структуры.
Конденсационно-кристаллизационные структуры. Структурообразование разбавленных дисперсных систем - гели, студни. Синерезис.
Элементы реологии. Реология как метод исследования механических свойств структур в дисперсных системах. Основные реологические свойства (упругость, пластичность, вязкость и прочность). Напряжение и деформация. Идеальные реологические модели (Гука, Ньютона). Модель упругопластичного тела, модель Кулона. Модель упруговязкого тела Максвелла. Время релаксации напряжения и свойства тел. Модель вязкоупругого тела. Время релаксации деформации. Упругое последействие и эластичность. Модель пластического тела Бингама. Пластическая вязкость. Два метода изучения деформационных cвoйств системы: при постоянной (нагрузка - разгрузка) и переменной (нагрузка - деформация) нагрузках. Приборы для изучения деформационно-прочностных свойств тел. Прибор Толстого.
Реологические свойства жидкообразных, твердообразных тел. Реологическая классификация жидкообразных тел. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Стационарные жидкости и общее уравнение их течения. Динамическая (ньютоновская) вязкость и методы ее измерения. Уравнение Эйнштейна для вязкости дисперсных систем, границы его применения.
Реологическая классификация твердообразных тел. Бингамовские и небингамовские твердообразные тела. Стационарные твердообразные тела и общее уравнение их течения.