Лабораторная работа №1

“Получение дисперсных систем”

Цель работы: Изучение основных методов получения и стабилизации лиофобных дисперсных систем. Определение заряда частиц и составление формул мицелл; наблюдение явления опалесценции в золях.

Для получения дисперсной системы необходимо выполнение ряда условий. Прежде всего нужно обеспечить определённую степень дисперсности вещества. Степень дисперсности n – это отношение линейных размеров частиц в исходной системе L к размерам частиц в диспергированной системе Ld (n=L/Ld). Размеры частиц в дисперсной системе могут превышать размеры молекул в несколько сотен и тысяч раз. Они находятся в пределах от 10^-9 до 10^-5 м (см. гл. 1, рис. 1.1). Дисперсность зависит от метода получения и свойств дисперсной фазы и дисперсной среды.

Мерой измельчённости или дисперсности вещества является его удельная поверхность S_уд, представляющая собой поверхность 1 единицы объёма или массы дисперсной фазы:

S_уд=S/V, м²/м³ или S_уд=S/m, м²/кг.

где S – поверхность всех частиц;

V(m) – объём (масса) всех частиц.

В связи с тем, что частицы в дисперсных системах приобретает особые свойства, отличные от гомогенных систем. Эти свойства связаны с большим избытком свободной поверхностной энергии Gs, зависящей от гетерогенности в системе (величины поверхностного натяжения) и от величины поверхности раздела S: G_s=σ*S (подглава 1.5). Поэтому основным свойством большинства дисперсных систем является их принципиальная термодинамическая неустойчивость, как и любых систем, обладающих избытком энергии. В них самопроизвольно протекают процессы, направленные на снижение поверхностной энергии путём уменьшения системы, требуют стабилизации.

Стабилизатором может быть вещество, специально вводимое в систему (ПАВ, ВМС и др.), или компонент системы, находящийся в ней в избытке. Часто стабилизатор образуется в процессе синтеза. Ионы стабилизатора адсорбируются на поверхности частиц и предупреждают их слипание друг с другом. В противном случае устойчивый размер частиц не сохраняется, они укрупняются, что приводит к разрушению дисперсной системы.

Таким термодинамически неустойчивым к агрегации являются лиофобные дисперсные системы. В отличии от них небольшой класс термодинамически равновесных лиофобных систем не нуждаются в дополнительной стабилизации, так как они обладают малым значением межфазной поверхностной энергии, и для них характерно самопроизвольное образование. Свойства лиофильных систем описаны в гл. 8. В данном разделе рассматриваются условия получения только лиофобных дисперсных систем.

Методы получения дисперсных систем.

Диспергирование

Методы получения дисперсных систем, основанные на раздробление (диспергировании) различных веществ, делятся на механические, ультразвуковые, электрические, химические (пептизация) (рис. 2.6).

Механическое диспергирование веществ постоянно имеет место в природе. Часто оно происходит в результате обвалов, выветривания горных пород, за счет работы воды, ледников. Для проведения этого процесса в промышленности применяют различные типы шаровых и коллоидных мельниц. Шаровые мельницы представляют собой полый барабан, наполненный шарами, которые при вращении падают, перекатываются и ударяются о материал, разрушая его. Шаровые мельницы обеспечивают получение лишь грубого разлома (L=10^-4м). Более тонкий размол (до 10^-7м) и за более короткое время достигается при работе коллоидных мельниц. Существуют различные конструкции таких мельниц, действующие по принципу удара, вибрации, трения с большой скоростью вращения ротора (до 15000 мин^-1). В коллоидных мельницах разламывают порошок, прошедший предварительный разлом в шаровой мельнице. Так, на размол какао требуется 6-7 суток в шаровой мельнице и 15-20 минут в коллоидной. Коллоидные мельницы применяют для дробления крахмала, сахара, кофе, графита, химических реактивов и.т.д. Основное их преимущество состоит в том, что процесс осуществляется быстро и обеспечивает высокую степень дисперсности вещества.

При измельчении в систему часто вводят небольшие добавки различных веществ, которые облегчают процесс диспергирования. Такими веществами являются вода, сахар, мочевина, соли, щёлочи, снижающие поверхностное натяжение и, следовательно, общую работу диспергирования, так как при искусственном проведении процесса измельчения затрачиваемая работа Wп пропорциональна общей энергии Gs и, следовательно, величине образующейся поверхности (подглава 2.1):

Wп=K*Gs=σ*ΔS,

где Gs – свободная энергия образующейся поверхности;

K – коэффициент, зависящий от природы вещества, среды, метода дробления;

σ – поверхностное натяжение или энергия образования 1 ед. поверхности;

ΔS – увеличение поверхности.

Эффект адсорбционного понижения прочности материалов был открыт П.А. Ребиндером и называется его именем. Он состоит в том, что разрушение тел идёт по микротрещинам (дефектам), которые имеются в слабых местах кристаллической решётки, а развитие микротрещины под действием силы идёт легче при адсорбции различных веществ из среды. Общее снижение работы диспергирования зависит, не только от степени снижения σ, но и от наличия дефектов в теле и условий проведения процесса. Сама по себе среда не разрушает поверхность тел, а лишь помогает разрушению. В этом отличие этого процесса от коррозии, которая разрушает тело без нагрузки. Эффект Ребиндера широко используется в промышленности. Например, измельчение руды всегда проводят в водной среде в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ). Качество обработки деталей на станках в присутствии эмульсии ПАВ резко повышается, увеличивается срок службы металлорежущего инструмента и снижающего инструмента и снижаются энергозатраты на проведение процесса.

Ультразвуковое диспергирование с частотой 10⁴ – 10⁶ Гц применяют для дробления жидких и твёрдых непрочных тел (мел, графит). Под влиянием ультразвука в системе возникают локальные сжатия и расширения вещества, которые разрушающим образом действуют на систему. Этот метод широко используют для получения эмульсий.

Образование эмульсий происходим при диспергировании двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидкостей.

Самопроизвольное слияние капель эмульсий носит название коалесценции, а стабилизаторы системы называются в данном случае эмульгаторами. Принято условно назвать полярную фазу эмульсии – “водой”, а неполярную – “маслом”. В связи с этим различают два типа эмульсий: “прямые” – масло в воде (М/В) и “обратные” – вода в масле (В/М). Прямые эмульсии хорошо смешиваются с водой, имеют большую электропроводность. Обратные эмульсии обладают положительными свойствами. Свойства эмульсий растворены в главе 10.

Электрический метод или электродробление используют, например, для получения золей металлов (Pt, Au). В этом методе создается вольтова дуга между электродами из диспергируемого металла, помещениями в воду ил другой растворитель с образованием золя. Вся система при этом охлаждается.

Химическое диспергирование называется пептизацией и применяется для свежеприготовленного осадка. Она состоит в промывании осадка водой и переводе его в раствор за счёт удаления избытка электролита, вызывающего образование осадка. Старые осадки не поддаются химическому диспергированию.