- •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
3.5.2.2 Емульсії
Емульсії – це дисперсні системи, в яких i дисперсна фаза, i дисперсійне середовище - рідини. Ступінь дисперсності емульсій не дуже великий: радіус частинок 10-3 -10-5 см. Звичайні емульсії – це мікрогетерогенні системи, які складаються з двох piдин, що не змішуються або обмежено змішуються між со бою, одна з яких диспергована в другій у вигляді крапельок. Звичайно одна із фаз емульсії – вода. Друга фаза – може бути всяка органічна piдина, яка не змішується з водою (олія, бензол, гас, бензин та ін.). Цю другу piдину, незалежно від її xiмічної природи, називають олією або органікою. Kpiм води i олії всяка стійка емульсія обов'язково містить ще й третій компонент, який надає їй агрегативну стабільність (емульгатор).
Емульсії поширені в природі i техніці (молоко, тощо), їх легко виготовити також штучними методами (змазки, маргарин, вершки, майонез, косметичні креми, емульсійні фарби, тощо). Особливістю не дуже концентрованих емульсій є сферична форма частинок (крапельок). Як правило, дисперсність емульсій значно нижча від дисперсності золів з твердою дисперсною фазою.
Від типових емульсій слід відрізняти т.зв. критичні - ліофільні емульсії. Критичні емульсії – це системи, які утворюються звичайно з двох обмежено розчинних рідин (наприклад, аніліну i води, ізоамілового спирту i води, тощо) при температурах, дуже близьких до критичної температури розчинення, коли поверхневий натяг на границі фаз стає дуже малим i теплового руху молекул достатньо для диспергування однієї рідини в іншій. В результаті такого самочинного диспергування утворюється мікроемульсія, в якій коалесценція окремих крапельок зрівноважується намаганням обох рідин piвномipно розподілитися в об'ємі. Всяка критична емульсія є термодинамічно стабільною рівноважною системою, для існування якої непотрібний емульгатор. Іншими особливостями критичної емульсії є можливість її існування в дуже вузькому діапазоні температур i непостійність частинок дисперсної фази : крапельки критичної емульсії весь час утворюються в системі i відразу зникають, нагадуючи в цьому відношенні асоціати, які утворюються в рідині в результаті флуктуації її густини.
Класифікація емульсій
Звичайно, ліофільні емульсії класифікують: 1) за полярністю дисперсної фази i дисперсійного середовища; 2) за концентрацією дисперсної фази в дисперсійному середовищі.
Згідно з першою класифікацією розрізняють :
а) емульсії неполярної або малополярної рідини в полярній (наприклад, емульсії типу олії (органіки) у воді О/В – це емульсії першого роду або прямі емульсії ;
б) емульсії полярної рідини в неполярній (типу В/О - це емульсії другого роду або обернені (інвертні) емульсії.
В особливий клас виділяють емульсії рідинних металів (наприклад, pтyтi, талію) у воді Ме/В), поскільки в цьому випадку i дисперсна фаза, i дисперсійне середовище ведуть ceбe, як полярні рідини, але нерозчинні одне в одному.
Тип емульсії визначають за властивостями її дисперсійного середовища. Для цього визначають: a) здатність емульсії змочувати гідрофобну (наприклад, парафінову) поверхню; б) можливість емульсії розбавлятися водою; в) здатність дисперсійного середовища забарвлюватися полярним барвником, або дисперcнoї фази – неполярним барвником; г) величину електропровідності.
Якщо, наприклад, емульсія не змочує гідрофобну поверхню, розбавляється водою, дисперсійне середовище забарвлюється водорозчинним барвником – метиленовим синім (або дисперсна фаза забарвлюється олієрозчинним барвником, наприклад, суданом Ш) i проявляє досить високу електропровідність, то це − емульсія першого роду. Навпаки, якщо емульсія змочує гідрофобну поверхню, не забарвлюється водорозчинним барвником, а забарвлюється олієрозчинним i не виявляє помітної електропровідності, то це − емульсія другого роду.
Згідно з другою класифікацією емульсії поділяють на: а) розбавлені; б) концентровані i в) висококонцентровані (желатинізовані).
До розбавлених емульсій відносяться системи рідина - piдина, які містять до 0,1 об'ємних процентів дисперсної фази. Типовим прикладом розбавлених емульсій може бути молоко. Розбавлені емульсії за розмірами частинок є високодисперсними, дисперсність яких – 107 м-1 , тобто близькою до дисперсності колоїдних частинок. Розбавлені емульсії утворюються без введення спеціальних емульгаторів. Тим не менше, крапельки розбавлених емульсій проявляють електрофоретичну рухомість i, отже, мають електричний заряд. Заряд на частинках виникає або в результаті адсорбцій на їх поверхні йонів неорганічних електролітів, або, в pазі їх відсутності, катіонів Н+ або аніонів ОН-, які утворюються в результаті дисоціацій молекул води
Н2О = Н++ОН-.
До концентрованих емульсій відносяться системи рідина-piдинa з порівняно високою концентрацією дисперсної фази (до 74 об.%). Поскільки такі емульсії одержують звичайно методом диспергування, то діаметр їх крапель відносно великий i становить 0,1 - 1 мкм i більше (Д=107-106м-1). Крапельки концентрованих емульсій також здійснюють броунівський pyx, тим інтенсивніший, чим дрібніші краплі. Краплі легко седиментують, осідаючи на дно, чи спливаючи на поверхню системи (в залежності від співвідношення густини дисперсності фази i дисперсійного середовища).
До висококонцентрованих (желатинізованих) емульсій звичайно відносять системи рідина – piдина з вмістом дисперсної фази вищої за 74 об.%. Особливість цієї групи емульсій є взаємна деформація крапель дисперсної фази, в результаті чого вони набувають форми багатогранників (поліедрів), розділених тонкими плівками – прошарками дисперсійного середовища. Така емульсія при розгляді в мікроскоп нагадує бджолину вощину. Внаслідок щільної упаковки крапельок висококонцентровані емульсії не здатні до седиментації, коалесценції i володіють механічними властивостями, подібними до властивостей гелів.
Тому їx i назвали желатинізованими.
Стабілізація емульсій. Емульсії, як i всі дисперсні системи, агрегативно нестійкі через надлишок вільної поверхневої eнepгiї, що проявляється в самочинному злитті крапельок емульсії (коалесценції). В кінцевому рахунку це приводить до повного руйнування емульсій i розділення її на два шари відповідних рідинних фаз. Агрегативну стабільність емульсій характеризують : а) швидкістю розшарування емульсї, або б) тривалістю існування (тривалість життя) окремих крапель емульсії в контакті одна а другою або з міжфазною поверхнею.
На стабільність емульсії найбільший вплив має природа i концентрація емульгатора (стабілізатора) в емульсії. Природа емульгатора впливає не тільки на стабільність, але й на тип емульсії. Гідрофільні емульгатори, розчинні в воді, стабілізують прямі емульсії, а гідрофобні (або органофільні) емульгатори, які краще розчинні в неполярних рідинах, стабілізують обернені емульсії (правило Банкрофта).
Як емульгатори використовують поверхнево-активні речовини (ПАР) всіх класів, а також порошки. Останні стабілізують прямі емульсії, якщо вони гідрофільні, i обернені - якщо органофільні. При введенні в емульсію в умовах перемішування її ПАР, які є стабілізаторами емульсій протилежного типу, може відбуватися обернення (інверсія) емульсії, тобто перетворення емульciї одного типу в емульсію іншого типу.