Поверхностные явления и дисперсные системы (90

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Казанский государственный технологический университет»

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Индивидуальные задания к коллоквиумам

Казань

КГТУ

2011

1

УДК 541.18

Составители: проф. А.Я.Третьякова, доц. А.А.Коноплева, доц. Д.М.Торсуев, доц. А.И.Курмаева

Поверхностные явления и дисперсные системы: индивидуальные задания к коллоквиумам / сост.: А.Я.Третьякова [и др.]; М-во образ. и науки РФ, Казан. гос. технол. ун-т. – Казань : КГТУ, 2011. – 40 с.

Подготовлены в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 240100 «Химическая технология», учебным планом и рабочей программой по дисциплине.

Приведены индивидуальные задания к коллоквиумам для аудиторной самостоятельной работы студентов, целью которых является формирование у учащихся базовых знаний о поверхностных явлениях, особенностях и свойствах дисперсных систем, а также умений и навыков получения, исследования и регулирования свойств коллоидов. Задания включают вопросы теоретического характера и задачи по основным разделам дисци- плины.

Предназначены для студентов технологических специальностей, изу- чающих дисциплину «Поверхностные явления и дисперсные системы».

Подготовлены на кафедре физической и коллоидной химии.

Печатаются по решению методической комиссии института полимеров.

Рецензенты: проф. Р.Ф. Бакеева

проф. С.И. Вольфсон

2

Согласно этим разделам выбрана тематика лабораторных работ и темы теоретических коллоквиумов.

Темы лабораторных занятий:

–изучение адсорбции на границе «твердое тело-раствор»;

–изучение адсорбции и поверхностного натяжения на границе раздела «жидкость-газ»;

–получение золей методами конденсации;

–седиментационный анализ суспензий;

–определение размера частиц латекса методом светорассеяния;

–исследование электролитной коагуляции золей;

–изучение электрокинетических явлений;

–определение критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ.

Темы коллоквиумов:

–поверхностные явления;

–образование и устойчивость дисперсных систем;

–кинетические явления и методы исследования дисперсных систем; оптические свойства дисперсных систем; дисперсионный анализ.

Данные методические указания предназначены для проведения коллоквиумов и содержат индивидуальные задания по трем вышеоз- наченным темам. Индивидуальные задания включают вопросы теоре- тического характера и задачи по основным разделам дисциплины. По каждой теме предусмотрено 16 вариантов индивидуальных заданий. Подготовка к коллоквиуму осуществляется студентом самостоятель- но путем проработки лекционного материала, работы с рекомендуе- мыми учебниками и практикумами, учебными пособиями, заданиями. Форма отчетности: написание конспекта, сдача коллоквиума, инди- видуальных заданий.

Материал заданий ориентирован на дальнейшее его использова- ние при изучении специальных дисциплин, выполнении научно- исследовательской и выпускной квалификационной работы.

4

Тема 1

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Задание 1

1.Какие поверхностные явления вам известны? Охарактеризо- вать эти явления.

2.Дать анализ адсорбционного уравнения Гиббса. Как рассчитать величину адсорбции, исходя из изотермы поверхностного натяжения?

3.Дать определение явлению смачивания. Какие параметры ис- пользуются для количественной характеристики смачивания?

4.Дать характеристику и привести примеры гидрофильных и гидрофобных поверхностей. Как можно повлиять на смачивание по- верхности?

5.Даны константы уравнения Шишковского для водного раство- ра валериановой кислоты при 293 К: А = 14,72·10-13, b = 10,4. Рассчи-

тать, при какой концентрации раствора поверхностное натяжение бу- дет составлять 52,1 мДж/м2, если поверхностное натяжение воды при 293 К равно 73,5 мДж/м2.

6.Объяснить принципы классификации веществ на поверхност- но-активные и поверхностно-инактивные.

7.Написать уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра. Дать краткую характеристику динамической модели процесса адсорбции в теории Ленгмюра.

Задание 2

1.Что такое «поверхностная активность»? Как определяют по- верхностную активность водорастворимых поверхностно-активных веществ (ПАВ)?

2.Показать особенность строения молекулы ПАВ. Привести примеры неионогенных, катионных и анионных ПАВ.

3.Что называется адсорбцией и как количественно ее охарак- теризовать?

4.Используя уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра, вычис-

лить адсорбцию пропионовой кислоты на поверхности раздела водный раствор– воздух при 293 К и концентрации 0,1 кмоль/м3, если известны константы уравнения Шишковского: А = 12,8·10-3, b = 7,16.

5.Пояснить правило уравнивания полярностей Ребиндера.

5

6.Показать, в чем отличие гидрофильных твердых поверхностей от гидрофобных.

7.Привести примеры гидрофобизаторов и гидрофилизаторов твердых поверхностей.

Задание 3

1.Охарактеризовать понятия: адсорбция, адсорбент, адсорбтив. Каковы особенности мономолекулярной адсорбции?

2.Написать уравнение Шишковского и объяснить физический смысл входящих в него величин.

3.Показать особенности строения молекулы поверхностно- активных веществ (ПАВ). Привести примеры ПАВ.

4.Объяснить, чем обусловлено улучшение смачивания водой гидрофобных поверхностей при введении в нее поверхностно- активных веществ.

5.Поверхность 1 см3 активированного угля равна 1000 м2. Какой

объем аммиака при 0° С и 760 мм рт.ст. может быть адсорбирован 100 см3 активированного угля в предельном случае, если считать, что диаметр молекулы NH3 равен 3·10-8 см и при максимальной адсорбции они касаются друг друга?

6.Объяснить строение адсорбционных слоев ПАВ на основе тео- рии мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Рассмотреть два случая: разреженные слои, предельно упакованные монослои.

7.Рассказать об ориентации молекулы алифатических спиртов при адсорбции их из водных растворов на активированном угле.

Задание 4

1.Показать, что такое поверхностное натяжение и в каких еди- ницах оно измеряется.

2.Объяснить метод расчета изотермы адсорбции поверхностно- активных веществ (ПАВ) на основе измерений поверхностного натя- жения растворов ПАВ.

3.Найти адсорбцию пропионовой кислоты на поверхности раз- дела водный раствор– воздух при 293 К и концентрации 0,5 кмоль/м3,

используя константы уравнения Шишковского: А = 12,5·10-3 и b = 7,73.

4. Рассказать об ориентации молекул алифатических кислот при адсорбции их из водных растворов на активированном угле.

6

5.Что называют адгезией? Какой параметр используют для ее количественной характеристики?

6.Вычислить по уравнению Ленгмюра величину адсорбции изо-

амилового спирта на поверхности раздела водный раствор– воздух при 293 К и концентрации С = 0,1 кмоль/м3 по данным константам:

Г∞ = 8,7·10-9 кмоль/м2, b = 42.

7. Показать, в чем заключается правило уравнивания полярно- стей Ребиндера. Привести примеры.

Задание 5

1. Показать, какие факторы влияют на состояние адсорбционного слоя молекул ПАВ.

2. Объяснить, чем обусловлена сферическая форма капель жид- кости в условиях невесомости.

3. Пользуясь графическим методом, найти поверхностную актив- ность масляной кислоты на границе водного раствора с воздухом при 293 К по следующим экспериментальным данным:

4. Рассчитать площадь, приходящуюся на одну молекулу изомас- ляной кислоты на поверхности раздела водный раствор– воздух, если предельная адсорбция Г∞ = 5,42 10-9 кмоль/м2.

5.Охарактеризовать явление смачивания твердых тел. Какой па- раметр используется для его количественной характеристики?

6.Объяснить отличие гидрофильных твердых поверхностей от гидрофобных.

7.Пояснить правило уравнивания полярностей Ребиндера.

Задание 6

1.Каковы причины возникновения избытка свободной энергии на границе жидкость– газ.

2.Какие вещества называют поверхностно-активными (ПАВ)? Показать основные области применения ПАВ в коллоидной химии.

3.Объяснить, что такое адсорбция и указать ее количественные характеристики.

7

4. Пользуясь графическим методом, вычислить адсорбцию валериановой кислоты на поверхности раздела водный раствор– воздух при 293 К и концентрации С = 0,026 кмоль/м3, если зависи- мость поверхностного натяжения раствора от концентрации пред- ставлена следующими экспериментальными данными:

5. Показать, при каких условиях для описания адсорбции исполь- зуют уравнение Фрейндлиха. Охарактеризовать физический смысл констант в этом уравнении. Как их можно определить?

6. Охарактеризовать гидрофильные и гидрофобные поверхности. Дать примеры. Показать, как можно «гидрофилизировать» гидрофоб- ную поверхность.

7. Объяснить понятие «лиотропные ряды». Выполняется ли эта закономерность при адсорбции ионов?

Задание 7

1.Объяснить причины возникновения избытка свободной энер- гии на границе раздела фаз. Что такое поверхностное натяжение?

2.Объяснить правило Дюкло-Траубе. Изобразить изотермы ад- сорбции и поверхностного натяжения для ряда спиртов: C2H5OH,

C3H7OH, C4H9OH, C5H11OH.

3. Для водного раствора изомасляной кислоты при 293 К найдены константы уравнения Шишковского: А = 13,1·10-3 и b = 2,2. Показать, чему равна адсорбция при концентрациях С1 = 0,01; С2 = 0,1 и С3 = 1,0 кмоль/м3.

4.Используя константы эмпирического уравнения Фрейндлиха

β= 1,6·10-3 и α = 0,48, построить кривую адсорбции углекислого газа

на активированном угле при 271 К в интервале давлений от 2·102 до

30·102 Н/м2.

5.Объяснить, как влияют природа твердого тела и жидкости на смачивание.

6.Написать уравнение Ленгмюра и пояснить физический смысл входящих в него величин. При каких условиях это уравнение выпол- няется?

7.Пояснить процесс адсорбционного модифицирования твердой поверхности.

8

Задание 8

1.Показать, что такое полная поверхностная энергия. Как ее можно рассчитать? Какие экспериментальные данные необходимы для такого расчета?

2.Показать, какие вещества называют поверхностно-активными (ПАВ). Что означает термин «дифильность»? Из каких частей состоит молекула ПАВ? Привести примеры ПАВ.

3.В чем состоит сущность графического определения констант в уравнении Ленгмюра? Какие характеристики адсорбционного слоя можно рассчитать, зная эти константы?

4.Используя константы уравнения Шишковского (А = 12,6·103, b = 21,5) рассчитать поверхностное натяжение для водных растворов

масляной кислоты при 273 К для следующих концентраций (кмоль/м3): 0,007; 0,021; 0,050; 0,104 и построить кривую в координа-

тах σ = f(с). Поверхностное натяжение воды σ0 = 75,49·10-3Н/м.

5.Показать, как определить удельную поверхность адсорбента.

6.Охарактеризовать гидрофильные и гидрофобные адсорбенты. Показать адсорбцию ПАВ из растворов на гидрофильных и гидрофоб- ных адсорбентах.

7.Как изменится концентрация водного раствора ПАВ после контакта с углем?

Задание 9

1.Дать силовое и термодинамическое определение поверхност- ного натяжения. В каких единицах измеряется поверхностное натяже- ние?

2.Охарактеризовать адсорбцию на границе жидкость– газ. Дать анализ адсорбционного уравнения Гиббса. Построить изотерму ад- сорбции по изотерме поверхностного натяжения.

3.Показать, во сколько раз увеличивается свободная поверхност-

ная энергия системы при пептизации геля Fe(OH)3, если радиус частиц уменьшится от 10-6 до 10-9 м

4.Пользуясь уравнением Ленгмюра, вычислить адсорбцию мас-

ляной кислоты на поверхности раздела водный раствор– воздух при 293 К и концентрации 0,1 кмоль/м3, если зависимость поверхностного натяжения от концентрации выражается уравнением Шишковского:

σ = σ0 – 16,7·10 -3 ln(1+21,5·С)

5. Показать ориентацию молекул ПАВ при их адсорбции из вод- ных растворов на гидрофильных и гидрофобных адсорбентах.

9

6.Объяснить зависимость поверхностного натяжения от темпе-

ратуры.

7.Рассчитать работу адгезии Wa воды на фторпласте. Поверхно- стное натяжение воды на границе с воздухом равно 71,96 мДж/м2, а краевой угол θ = 108°.

Задание 10

1.Дать определение полной поверхностной энергии. Как ее мож- но рассчитать? Какие данные необходимы для такого расчета?

2.Аэрозоль ртути сконденсировался в виде капель объемом 3,5 см3. Определить, во сколько раз уменьшилась поверхностная энер- гия ртути, если дисперсность аэрозоля составляла 10-6м-1. Поверхност- ное натяжение ртути 0,475 Дж/м2.

3.Дать определение понятия «адсорбция». Что такое избыточ- ная и полная адсорбция? В каких случаях их можно принять равны- ми?

4.По данным адсорбции CO2 на активированном угле при темпе- ратуре 18° С найти константы уравнения Ленгмюра. Указать физиче- ский смысл этих констант:

Найти величину предельной адсорбции и рассчитать минималь- ную площадь поверхности адсорбента, приходящуюся на одну моле- кулу CO2.

5.Охарактеризовать явление смачивания. Показать, какой пара- метр используется для его количественной характеристики.

6.Рассказать об ориентации молекул алифатических спиртов при адсорбции их из водных растворов на активированном угле.

7.Пояснить правило уравнивания полярностей Ребиндера.

Задание 11

1.Показать, что такое поверхностное натяжение и полная по- верхностная энергия. Объяснить, как они зависят от температуры.

2.Объяснить принцип классификации веществ на поверхностно- активные (ПАВ) и поверхностно-инактивные.

3.Адсорбция растворенного в воде ПАВ на поверхности ртуть– вода подчиняется уравнению Ленгмюра. При концентрации ПАВ

10