1.З. Фізико-хімічні і фізичні методи досліджень

Фізико-хімічні методи аналізу можна вважати складовою частиною фізико-хімічного аналізу. Вони призначені для рішення утилітарно аналітичних задач. Для прямих фізико-хімічних методів, коли склад визначається як функція властивості, використовують ті ділянки повної діаграми склад–властивість, на яких склад однозначно визначає властивість. У практику аналітичної хімії ввійшли фізико-хімічні методи аналізу, в яких та або інша властивість використовується як індикатор для встановлення точки еквівалентності титрування.

Фізико-хімічним аналізом вивчають не індивідуальні речовини, а фази, з яких утворена гетерогенна система. В якості фаз можуть бути і хімічно чисті речовини (фази постійного складу), і розчини (фази змінного складу). Фізико-хімічний аналіз полягає у наступному. Вимірюють яку-небудь фізичну властивість розчину або розплаву (розчинність, температуру плавлення, тиск пари, густину, показник заломлення світла, поверхневий натяг, електропровідність, відносну діелектричну проникність та ін.). Послідовно змінюючи склад, одержують таблицю числових значень вимірювальної властивості. Потім будують діаграму склад–властивість, аналізують залежність між геометричними особливостями такої діаграми і природою розчину або розплаву. Діаграми склад–властивість дозволяють вирішувати задачі про встановлення числа, хімічної природи і границях існування фаз, які утворились при взаємодії компонентів розчинів або розплавів без їх виділення із системи. Між діаграмами розчинності і плавлення немає принципової різниці, оскільки розчинність і плавлення є одним і тим же процесом – переходом речовини із твердого стану в рідкий. Коли тиск мало впливає на стан системи або тиском пари її компонентів можна знехтувати, його вплив тоді не розглядається, і для обох випадків діаграми розчинності або плавлення називають діаграмами стану конденсованих систем.

Діаграми стану повністю характеризують фазову рівновагу в фізико-хімічних системах і знаходять широке використання при розрахунках технологічних процесів і керування ними, особливо в хімічній промисловості і металургії, а також у сучасному матеріалознавстві.

М.С.Курнаков об'єднав під загальною назвою "фізико-хімічний аналіз" метод дослідження речовин за будь-якою вимірювальною властивістю системи, не тільки за температурами фазових перетворень, але і за електропровідністю, внутрішнім тертям, об'ємними властивостями, твердістю та ін. Так виникли окремі методи фізико-хімічного аналізу – кондуктометрія, віскозиметрія, дилатометрія та ін. Величини і одиниці їх вимірювань, які використовують у фізиці і хімії, називають фізико-хімічними, наприклад, число Авогадро, кількість речовини, концентрація, густина, електрорушійна сила та ін. Фізична величина – це характеристика одного з властивостей фізичного об'єкту (фізичної системи, явища або процесу), загальна у якісному відношенні багатьом фізичним об'єктам, але в кількісному відношенні індивідуальна для кожного об'єкту. Явище – це безпосереднє сприймання властивості досліджуваного об’єкту. Явища, під час яких змінюється форма, агрегатний стан, але нова речовина не утворюється, називаються фізичними. Явища, під час яких одні речовини перетворюються на інші, що відрізняються від вихідних за складом і властивостями називаються хімічними. Фізичні процеси – це фазові перетворення, які пов'язані зі зміною структури або агрегатного стану речовини без зміни його хімічного складу. Хімічні процеси – це реакції перетворення, які протікають в речовині і пов'язані зі зміною хімічного складу. Внаслідок нагрівання речовини при певних температурах протікають фізичні та хімічні процеси, які супроводжуються виділенням або поглинанням теплоти. Ендотермічні ефекти зумовлені хімічною зміною речовини при нагріванні (реакції дегідратації, декарбонізації тощо) або хімічним розпадом речовин на більш прості тверді продукти (сполуки), що відбуваються без виділення газоподібної фази; або процеси поліморфних перетворень енантіотропного характеру, або плавлення речовини. Екзотермічні ефекти зумовлені: хімічними реакціями, що супроводжуються поглинанням речовиною газоподібної фази, наприклад, реакції окислення; процесами перетворень монотропного характеру, коли нестійка при даній температурі модифікація переходить у стійку; переходом з нестійкого аморфного стану в кристалічний (кристалізація гелів, розплаву тощо).

Властивість – спосіб проявлення певних сторін (якостей) об’єкта досліджень по відношенню до інших об’єктів, з якими він вступає у взаємодію. Розрізняють фізичні, хімічні і фізико-хімічні властивості тіл, речовин, матеріалів. Фізичним тілам, системам притаманні фізичні властивості, а хімічним речовинам, системам – хімічні. Здатність речовини приймати участь в тих або інших хімічних реакціях характеризує її хімічні властивості. Кожній речовині притаманний набір специфічних властивостей – об'єктивних характеристик, які визначають індивідуальність конкретної речовини і тим самим дозволяють відрізняти її від інших речовин. До числа характерних фізичних і фізико-хімічних властивостей відносять: розчинність, густину, температури плавлення і кипіння, теплоту утворення, теплоємність, теплопровідність, коефіцієнт теплового розширення, в'язкість, поверхневий натяг, тиск витікання, електропровідність, діелектричну проникність, термоелектрорушійну силу, оптичні властивості, твердість, параметри кристалічної структури та ін. До цього потрібно включити методи дослідження макро- і мікроструктури: рентгенфазовий, рентгеноструктурний і рентгеноспектральний аналізи, оптичну і молекулярну спектроскопію, оптичну і електронну мікроскопію, термографію та ін. До основних характеристик речовини належать її хімічні властивості.

Якщо яка-небудь властивість тіла не залежить від того, в якому напрямку її вимірюють, то таке тіло називається ізотропним по відношенню до цієї властивості. Коли ж дана властивість залежить від напрямку, в якому вона вимірюється, то тіло називається анізотропним по відношенню до цієї властивості. Полікристалічні і аморфні тіла ізотропні. Проте зовнішній вплив (тепловий, механічний) здатний зробити анізотропними як полікристалічні, так і некристалічні тіла. Наприклад, плоске скло, в якому створено механічну або термічну напругу, стає анізотропним по відношенню як до механічних, так і до оптичних властивостей. Анізотропія механічних і електричних властивостей виникає у полікристалічному металі під дією витягування, прокату, кування, нерівномірного нагрівання і охолодження.

Історично склалось так, що видатний російський хімік М.С.Курнаков започаткував фізико-хімічний аналіз, як новий розділ загальної хімії. Спеціалісти, які працюють в зазначеній області, фізичні властивості стосовно фізико-хімічних систем називають фізико-хімічними, а фізичні методи визначення складу і дослідження будови речовини, матеріалів (спільний інтерес фізиків і хіміків) називають фізико-хімічними методами досліджень Інструментальні методи досліджень фізичних властивостей і структури речовини, матеріалів та їх зміну в процесі переробки сировини доцільно називати фізичними методами досліджень. При проведенні фізико-хімічних досліджень використовують взаємозв’язок між складом фізико-хімічної системи та її фізичними і хімічними властивостями для вивчення фазових і хімічних перетворень (фізичних і хімічних процесів).

Таким чином фізико-хімічні методи аналізу є складовою частиною фізико-хімічного аналізу, який, в свою чергу, відноситься до фізико-хімічних і фізичних методів досліджень матеріалів, які можна назвати інструментальними методами досліджень складу, будови, структури і властивостей матеріалів та їх взаємозв'язку.

2. методи дослідження дисперсних

матеріалів

2.1. Седиментаційний метод визначення

дисперсного складу матеріалів

Ч

Рис. 2.1.

Частинка суспензії в полі земного тяжіння

астинки речовини, дисперговані в рідкому або газоподібному середовищі, постійно знаходяться під впливом двох протилежно спрямованих сил – сили тяжіння, під дією якої частинки осідають, і сил дифузії, під дією яких частинки намагаються переміститись із зони більших в зону менших концентрацій, тобто до рівномірного розподілу в об'ємі. В залежності від переваги тих або інших сил в системі спостерігається осідання частинок диспергованої фази (під впливом сил тяжіння) або (у випадку переваження сил дифузії) вирівнювання концентрації по всьому об'єму системи. Процес осідання частинок речовини під дією сили тяжіння називається седиментацією (від лат. Sidementum – осаджування).

Дисперсність системи характеризується розміром частинок диспергованої фази. Оскільки розміри частинок неоднакові, то для повного уявлення про дисперсність необхідно мати криву розподілу диспергованої фази за розмірами частинок, яку будують за даними дисперсійного аналізу седиментаційного методу, суть якого полягає у дослідженні зміни маси осаду, який накопичується на шальці терез при осіданні частинок диспергованої фази під дією сили тяжіння.

На рис. 2.1 показано сили, які діють на кожну із частинок суспензії за припущення, що вони мають сферичну форму.

Постійна швидкість осідання частинки досягається за умови рівноваги діючих сил:

F_Т = F_А + F_С (2.1)

де F_Т – сила тяжіння; F_А – сила Архімеда; F_С – сила Стокса.

Ці сили визначаються за формулами:

F_Т = m_чg = _чV_ч g = _ч4/3r³g (2.2)

F_A = m_Pg = _PV_чg = _P4/3r³g (2.3)

F_C = 6ru (2.4)

де _ч і _P густина частинки і рідини відповідно;

V_ч = 4/3r³ – об'єм частинки радіуса r;  - в’язкість рідини; u - швидкість руху частинки.

Підставимо вирази для сил F_T , F_А, F_C – (2.2), (2.3) і (2.4) у співвідношення (2.1) і отримаємо:

6ru = 4/3r³(_ч – _Р)g (2.5)

Звідки визначимо швидкість з якою осідає частинка u та її радіус r.

(2.6)

(2.7)

Швидкість осідання частинок та їх кількість (маса) можуть бути визначені експериментально за допомогою седиметометра Фігуровського (рис. 2.2):

u = h/t (2.8)

де h – відстань, яку проходить частинка за час t.