
- •1 Хімічна термодинаміка 4
- •2 Дисперсні системи 32
- •3 Поверхневі явища 64
- •1 Хімічна термодинаміка
- •1.1 Основи фізичної хімії. Хімічна термодинаміка
- •1.1.1 Основні поняття і терміни хімічної термодинаміки
- •1.1.2 Перший закон термодинаміки
- •1.1.3 Теплові ефекти фізико – хімічних процесів
- •1.1.3.1 Розрахунки теплових ефектів
- •1.1.4 Висновки з закону Гесса
- •1.1.5 Залежність теплового ефекту процесу від температури
- •1.2 Напрямок перебігу фізико – хімічних процесів
- •1.2.1 Другий закон термодинаміки
- •1.2.2 Ентропія
- •1.2.3 Третій постулат термодинаміки
- •1.2.4 Зміна ентропії у фізико-хімічних процесах
- •1.2.5 Вільна енергія і напрямок хімічних реакцій
- •Приклади рішення задач
- •Розв’язок
- •Відповідь: 159,9 Дж/моль·к.
- •2 Дисперсні системи
- •2.1 Класифікація дисперсних систем
- •2.1.1 Основні терміни колоїдної хімії
- •2.1.2 Класифікація дисперсних систем
- •2.1.2.1 За характером дисперсності
- •2.1.2.2 За ступенем дисперсності
- •2.1.2.3 За агрегатним станом дисперсної фази і дисперсійного середовища
- •2.1.2.4 За характером взаємодії між частинками дисперсної фази і дисперсійним середовищем
- •2.1.2.5 За характером взаємодії між самими частинками дисперсної фази
- •2.1.2.6 За формою частинок дисперсної фази (за топографічною ознакою)
- •2.1.3 Одержання і очистка дисперсних систем
- •2.1.3.1 Основні методи одержання дисперсних систем
- •2.1.3.2 Очистка колоїдних систем
- •2.2 Молекулярно-кінетичні властивості дисперсних систем
- •2.2.1 Броунівський рух
- •2.2.2 Дифузія
- •2.2.3 Осмотичний тиск
- •2.2.4 Седиментація
- •2.2.4.1 Седиментаційно-дифузійна рівновага
- •2.2.4.2 Седиментаційний аналіз
- •2.2.5 Оптичні властивості дисперсних систем
- •2.2.5.1 Розсіяння світла
- •2.2.5.2 Оптичні методи дослідження дисперсних систем
- •Контрольні питання
- •Приклади розв’язку задач
- •3.1.2 Поверхневий натяг
- •3.1.3 Класифікація поверхневих явищ
- •3.1.4 Поверхневий натяг на межі двох рідин. Взаємне розтікання рідин
- •3.1.5 Адгезія і когезія. Явища розтікання та змочування
- •3.1.5.1 Поняття про когезію та адгезію
- •3.1.5.2 Змочування поверхні твердого тіла рідиною
- •3.1.5.3 Адгезія між твердим тілом і рідиною
- •3.1.5.4 Капілярні явища
- •Контрольні питання
- •3.2 Поверхневі явища на межі тверде тіло – газ, тверде тіло – рідина, рідина – газ, рідина – рідина, тверде тіло – рідина, тверде тіло – тверде тіло
- •3.2.1 Кількісна характеристика адсорбції. Величини адсорбції
- •3.2.2 Рівняння стану адсорбції
- •3.2.3 Теплота адсорбції
- •3.2.4 Залежність адсорбції від температури та природи газу
- •3.2.5 Фізична адсорбція газів і парів на гладкій твердій поверхні. Закон Генрі
- •3.2.6 Теорія адсорбції і рівняння Ленгмюра
- •3.2.7 Ізотерма адсорбції Фрейндліха
- •3.2.8 Рівняння бет (Брунауера,Еммета,Теллера)
- •Аналогічно
- •3.2.9 Швидкість адсорбції
- •3.2.10 Хімічна адсорбція газів на твердій гладкій і пористій поверхні
- •3.2.11 Капілярна конденсація
- •Отже, при сталій температурі
- •Контрольні питання
- •3.3 Електричні явища на межі тверде тіло – рідина. Будова міцели
- •3.3.1 Електрокінетичні явища
- •3.3.2 Утворення і будова подвійного електричного шару на межі тверде тіло – рідина
- •3.3.2.1 Механізм утворення пеш
- •3.3.2.2 Термодинамічне співвідношення між поверхневим натягом і електричним потенціалом
- •3.3.2.3 Теорія будови пеш Гельмгольца-Перрена
- •3.3.2.4 Теорія будови пеш Гуї-Чепмена
- •3.3.2.5 Теорія будови пеш Штерна
- •3.3.3 Вирази для дзета-потенціалу
- •3.3.4 Вплив різних факторів на дзета-потенціал
- •3.3.4.1 Вплив індиферентних електролітів
- •3.3.4.2 Вплив неіндиферентних електролітів
- •3.3.4.3 Вплив pH-середовища
- •3.3.4.4 Вплив концентрації колоїдної системи
- •3.3.4.5 Вплив температури
- •3.3.4.6 Вплив природи дисперсійного середовища
- •3.3.5 Міцелярна теорія колоїдних розчинів
- •3.3.6 Йонна адсорбція з розчинів на твердому адсорбенті
- •3.3.6.1 Йонообмінна адсорбція
- •3.4 Стійкість дисперсних систем
- •3.4.1 Види стійкості дисперсних систем
- •3.4.2 Процеси, обумовлені агрегативною нестійкістю
- •3.4.3 Фактори стійкості дисперсних систем
- •3.4.4 Коагуляція гідрофобних золів
- •3.4.4.1 Коагуляція під дією електролітів. Правило Шульце−Гарді
- •3.4.4.2 Гетерокоагуляція. Взаємна коагуляція золів
- •3.4.5 Теорії стійкості і коагуляції
- •3.4.5.1 Адсорбційна теорія коагуляції г.Фрейндліха
- •3.4.5.2 Електростатична теорія коагуляції г.Мюллера
- •3.4.5.3 Теорія стійкості систем длфо
- •3.4.5.4. Вплив концентрації електроліту на потенціальні криві взає-модії частинок
- •3.4.6 Швидкість коагуляції
- •3.4.7 Колоїдний захист
- •Контрольні питання
- •Розв’язок
- •Розв’язок
- •3.5 Характеристика мікрогетерогенних дисперних систем План
- •Металокерамічні матеріали
- •3.5.1 Дисперсні системи з газовим дисперсійним середовищем (аерозолі)
- •3.5.2 Дисперсні системи з рідинним дисперсійним середовищем
- •3.5.2.1 Суспензії
- •3.5.2.2 Емульсії
- •3.5.2.3 Латекси
- •3.5.3 Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем (тверді золі, солідозолі)
- •3.5.3.1 Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем і газоподібною дисперсною фазою (тверді піни)
- •3.5.3.2 Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем і рідинною дисперсною фазою (тверді емульсії)
- •3.5.3.3 Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем і твердою дисперсною фазою
- •3.5.4 Композиційні матеріали (композити)
- •3.5.4.1 Металокерамічні матеріали
2.2.5.2 Оптичні методи дослідження дисперсних систем
Рівняння Релея лежить в основі оптичних методів визначення розмірів частинок і концентрації дисперсної фази ультрамікрогетерогенних систем: ультрамікроскопії, нефелометрії і турбідиметрії.
♦
Ультрамікроскопія
від звичайної мікроскопії відрізняється
тим, що дисперсна система, яка досліджується,
освітлюється збоку, і спостерігають
розсіяне світло. Внаслідок цього частинки
здаються точками, які світяться на
темному фоні, і розрізняльна здатність
мікроскопу різко підвищується, що
дозволяє спостерігати частинки з
діаметром до 2 — 3 нм.
Схема ультрамікроскопа показана на рис. 2.9.
Кювету 1 з колоїдним розчином, закріплену на предметному столику мікроскопа, освітлюють збоку інтенсивним пучком світла від електричної дуги 2, який проходить крізь лінзи 3. Між лінзами поміщена діафрагма (щілина), яка дозволяє освітлювати в кюветі чітко визначений об'єм золю. Спостереження ведуть за допомогою мікроскопа 5. При цьому на темному фоні бачать точки, які світяться і безперервно рухаються.
За допомогою ультрамікроскопа не можна безпосередньо визначити розмір і форму частинок, бо спостерігають не частинки, а розсіяне ними світло. Але середній розмір частинок можна знайти таким чином.
За допомогою мікрометричної окулярної шкали ультрамікроскопа виділяють певний об'єм колоїдного розчину і підраховують число колоїдних частинок, які містяться в ньому.
Приймемо, що – густина частинок дисперсної фази; с – масова концентрація золю, V – виділений оптичний об'єм, v – число частинок в об'ємі V, п – число частинок в одиниці об’єму, п = v/V; т – маса окремої частинки, т = с/п =сV/v, V0 – об’єм окремої частинки, V0 = m/ = сV/v. Якщо частинка має форму сфери, то її об'єм V0 =4r3/3. Прирівнюючи об'єми, маємо 4r3/3=сV/v, звідки
(2.34)
або
. (2.35)
♦Нефелометрія основана на вимірюванні інтенсивності світла, розсіяного дисперсною системою. Рівнянню Релея (2.33) можна надати форму:
Іp = KvV2І0 = KcVІ0. (2.36)
де К — константа, яка включає всі параметри, що вважаються сталими при вимірюваннях, а с = v ·V — об'ємна концентрація дисперсної фази. Для двох золів з однаковими частинками відношення інтенсивностей розсіяного світла дорівнює відношенню концентрацій золів
. (2.37)
При однакових концентраціях відношення інтенсивностей дорівнює відношенню об'ємів частинок:
. (2.38)
Приймаючи один із золів за стандартний, можна визначити концентрацію досліджуваного золю, або розмір його частинок. Вимірювання провадять за допомогою нефелометрів. Інтенсивності світла, розсіяного стандартним і досліджуваним розчинами, зрівнюють, піднімаючи або опускаючи кювети із золями. Відношення висот двох кювет обернено пропорційне відношенню концентрацій золів, або об'ємів їх частинок.
♦Турбідиметрія основана на вимірюванні інтенсивності світла, яке пройшло через розсіююче середовище.
Розсіяне світло можна вважати фіктивно поглиненим, тоді розсіяння світла буде підлягати закону Бугера—Ламберта—Бера:
ln I0/Iп=2,3D= l, (2.39)
де I0– інтенсивність падаючого світла, Іп – інтенсивність світла, яке пройшло через шар товщиною l, D – оптична густина, – мутність системи.
Мутність = Іp/І0, а звідси і оптична густина, згідно з рівнянням (2.36), пропорційні концентрації і квадрату об'єму частинки. Це дозволяє визначити розміри частинок і їх концентрацію за оптичною густиною методом порівняння із стандартними системами, користуючись фотоелектроколориметром.
♦
Світлова
і електронна мікроскопія. Найбільш
інформативним методом визначення
дисперсності і форми частинок є світлова
та електронна мікроскопія. За допомогою
цих методів можна безпосередньо
спостерігати частинки і вимірювати їх
розміри. Нижня межа світлової мікроскопії
складає ~ 100 нм, електронної мікроскопії
~ 2–5 нм.
При дисперсійному аналізі, який проводиться за допомогою мікроскопа, найчастіше визначають статистичний діаметр (або радіус), який характеризує один лінійний розмір частинки. Причому при аналізі дисперсних частинок в системах його усереднюють і визначають середньочисельний або середньомасовий (об'ємний) радіус, умовно замінюючи реальну полідисперсну суміш системою частинок правильної форми і однакового розміру.
Для аналізу використовують лабораторний оптичний мікроскоп будь-якого типу, в окуляр якого вставляється мікрометрична сітка. Вона розбиває поле зору мікроскопа на квадрати, в яких ведеться підрахунок частинок за фракціями.
Для зручності обробки результатів частинки системи згруповують за фракціями, які відповідають певним інтервалам розмірів, і оформляють графічно у вигляді гістограм, інтегральних і диференціальних кривих розподілу (див. розд. 4.4).
При дисперсному аналізі, який виконується за допомогою електронного мікроскопа, одержують електронні мікрофотографії частинок дисперсних систем і визначають за ними розміри і гранулометричний склад.
Електронний мікроскоп є приладом, в якому освітлювачем служить пучок електронів. Це різко збільшує розрізняльну здатність мікроскопа і дозволяє безпосередньо бачити або фотографувати колоїдні частинки.
Електронні мікроскопи за електронно-оптичними системами розподіляються на електростатичні і електромагнітні. Принципова оптична схема електронних мікроскопів аналогічна схемам світлових мікроскопів з тією лише різницею, що оптичні елементи останніх замінені електричними елементами. Джерелом електронів є електронна гармата, яка складається із катода, управляючого електрода та анода. Електронна гармата створює пучок швидких електронів, який за допомогою конденсорної лінзи формується і спрямовується через конденсорну діафрагму на об'єкт дослідження. Проходячи крізь об'єкт, пучок попадає в об'єктивну лінзу, яка створює перше збільшення, потім через апертурну діафрагму і проекційні лінзи на флуоресцентний екран (при необхідності фіксується на фотоплівці), який під дією електронів починає світитися і створює зображення. Одержання контрастного зображення в електронному мікроскопі зумовлене тим, що різні ділянки зразка по-різному розсіюють електрони, що проходять через них. Для проходження електронів без перешкод в мікроскопі створюється вакуум порядку 10-2 — 10-3 Па. Електронна мікроскопія, незважаючи на деякі недоліки (дослідження сухих зразків і трудомісткість обслуговування), з успіхом застосовується для вивчення високодисперсних систем в біології, медицині і фармації.