Поверхностные явления и дисперсные системы (90

0,2 моль/л степень заполнения θ = 0,5. Рассчитать поверхностное на- тяжение ртути на границе с раствором при 298 К и концентрации ПАВ в растворе 0,1 моль/л. Предельное значение площади, занимаемой мо- лекулой ПАВ на поверхности S0 = 20 нм2, поверхностное натяжение ртути на границе с водой равно 0,373 Дж/м2.

4.Охарактеризовать явление смачивания твердых поверхностей жидкостью. Проанализировать уравнение Юнга.

5.Привести изотермы адсорбции, используемые для описания процесса адсорбции на твердых поверхностях.

6.Охарактеризовать гидрофильные и гидрофобные адсорбенты. Показать адсорбцию ПАВ из водных растворов на гидрофильных и гидрофобных поверхностях.

7.Показать влияние пористости адсорбента на адсорбцию моле- кул из растворов. В каких случаях сохраняется правило Дюкло– Траубе?

Задание 12

1.Охарактеризовать поверхностное натяжение на границе жид- кость– газ. Показать зависимость поверхностного натяжения от приро- ды граничащих фаз.

2.Охарактеризовать поверхностную активность, дать ее физиче- ский смысл.

3.Привести правило Дюкло– Траубе. Показать графически распо- ложение относительно друг друга изотерм поверхностного натяжения растворов перечисленных ниже кислот: уксусной, пропионовой, мас- ляной, валериановой.

4.Что называют изотермой адсорбции? Изобразить графически изотермы адсорбции растворов уксусной, пропионовой, масляной, ва- лериановой кислот.

5.Объяснить явление адгезии и смачивания. Показать парамет- ры, используемые для их количественной характеристики.

6.Используя константы эмпирического уравнения Фрейндлиха

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

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

30 ·102 Н/м2.

7. Показать, какова площадь, приходящаяся на одну молекулу изомасляной кислоты на поверхности раздела водный раствор– воздух,

если предельная адсорбция Г∞ = 5,42·10-9 кмоль/м2.

11

Задание 13

1.Охарактеризовать поверхностные явления, происходящие на жидких и твердых поверхностях.

2.Построить изотерму поверхностного натяжения σ = f(с) по ре- зультатам измерения поверхностного натяжения водных растворов пропионовой кислоты C3H7COOH на границе с воздухом при 293 К.

Оценить поверхностную активность.

3.Охарактеризовать правило Дюкло-Траубе. Изобразить изотер- мы адсорбции и поверхностного натяжения для ряда кислот: CH3COOH, C2H5COOH, C3H7COOH, C4H9COOH.

4.Рассчитать работу адгезии для воды, глицерина и бензола на

фторпласте. Поверхностное натяжение (на границе с воздухом) воды, глицерина и бензола соответственно равны: 71,96; 63,2; 28,3 мДж/м2,

акраевые углы составляют 108°, 100° и 46°.

5.Вычислить по уравнению Ленгмюра величину адсорбции изо- амилового спирта концентрации С = 0,1 кмоль/м3 на поверхности раз-

дела водный раствор– воздух при 292 К по данным константам:

Г∞ = 8,7·10-9 кмоль/м2, b = 42.

6.Охарактеризовать влияние неоднородности и шероховатости твердых поверхностей на их смачивание.

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

Задание 14

1.Назвать основные факторы, которые определяют поверхност- ное натяжение на границе жидкость– газ.

2.Вычислить поверхностное натяжение анилина на границе с воздухом при 292 К, если методом наибольшего давления пузырьков

получены следующие результаты: давление пузырька при проскакива- нии его в воду равно 11,82·102Н/м2, а в аналин 711,5 Н/м2. Поверхно-

стное натяжение воды σ0 = 72,55·10-3Н/м.

3.Показать схематичное строение адсорбционных слоев поверх- ностно-активных веществ (ПАВ) на границе раствор– газ.

4.Привести изотермы адсорбции для спиртов гомологического ряда. Показать отличие параметров их адсорбционных слоев.

12

5. Построить кривую адсорбции углекислого газа на активиро- ванном угле при 231 К и определить константы эмпирического урав- нения Фрейндлиха, используя следующие экспериментальные данные:

6. Дать определение гидрофильным и гидрофобным адсорбентам. 7. Объяснить, как влияет шероховатость поверхности на смачи-

вание.

Задание 15

1. Дать определение поверхностного натяжения. Показать, на чем основано измерение поверхностного натяжения методом наибольшего давления пузырька газа.

2. Записать адсорбционное уравнение Гиббса для адсорбции на границе жидкость– газ. Показать, как зависит величина адсорбции от природы адсорбтива и его концентрации в растворе.

3. Пользуясь графическим способом, вычислить адсорбцию мас- ляной кислоты на поверхности раздела водный раствор-воздух при 293 К и концентрации С = 0,104 кмоль/м3, используя следующие экс- периментальные данные:

4. Используя уравнение Ленгмюра, вычислить адсорбцию про- пионовой кислоты на поверхности раздела водный раствор-воздух при 293 К и концентрации С = 0,07 кмоль/м3, если известны константы уравнения Шишковского: А = 12,8·10-3, b = 7,16.

5. Охарактеризовать явление смачивания твердых поверхностей жидкостями и объяснить улучшение смачивания водой гидрофобных поверхностей при введении в нее ПАВ.

6. Указать наиболее важные особенности адсорбции веществ на поверхности твердых тел.

7. Привести примеры гидрофобизаторов гидрофильных твердых поверхностей.

13

Задание 16

1.Охарактеризовать поверхностное натяжение на границе разде- ла «жидкость– газ» Показать влияние внешних факторов на его вели- чину: температуры, присутствия посторонних веществ.

2.Показать, в чем причина возникновения избытка свободной энергии на границе раздела фаз.

3.Как рассчитать толщину адсорбционного слоя и «посадочную» площадку молекул ПАВ, зная зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ в растворе?

4.Охарактеризовать явление адгезии и показать, как изменится адгезия жидкости за счет изменения свойств твердой поверхности.

5.Показать отличие физической и химической адсорбции на по- верхности твердых тел.

6.Определить общий объем пор цеолита. При адсорбции на цео- лите этана (298 К) получены следующие экспериментальные данные:

Давление насыщенного пара pS = 37·105 Н/м2, молярный объем этана V = 0,064 м3/кмоль.

7. Рассказать об ориентации молекул алифатических спиртов при адсорбции их из водных растворов на активированном угле. Сформу- лировать правило уравнивания полярностей Ребиндера.

14

Т е м а 2

ОБРАЗОВАНИЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Задание 1

1.Дать определение золя, лиозоля, гидрозоля, аэрозоля.

2.Показать, как изменится дисперсность коллоидной системы и

удельная поверхность частиц дисперсной фазы при изменении радиу- са сферических частиц от 1·10-6 до 1·10-8 м.

3.Написать формулу мицеллы и указать знак электрического за- ряда коллоидных частиц этого золя:

NaCl + KH2SbO4 → NaH2SbO4 + KCl

В избытке взять KH2SbO4.

4.Дать определение электрокинетических явлений I и II рода.

5.Вычислить ξ-потенциал на границе кварц— водный раствор KCl, если в процессе электроосмоса получены следующие данные:

сила тока I = 2·10-3А, время переноса 1·10-8 м3 раствора τ = 11с, удельная электропроводимость среды æ = 6,2·10-2 Ом-1·м-1, вязкость среды η = 1·10-3 Н·с/м2, диэлектрическая проницаемость ε = 81, элек- трическая константа ε0 = 8,85·10-12 Ф/м.

6.Дать определение явления коагуляции. Какие воздействия на дисперсные системы могут вызвать коагуляцию?

7.Для коагуляции 1·10-5м3 золя AgJ требуется 0,45·10-6м3 рас- твора Ba(NO3)2. Концентрация электролита равна 0,05 кмоль/м3. Най- ти порог коагуляции золя.

Задание 2

1.Дать определение понятия «дисперсность» коллоидной сис- темы. Показать, какую дисперсность имеют гидрозоли.

2.Объяснить строение мицеллы золя на примере гидрозоля бер- линской лазури.

3.Найти удельную поверхность сульфида мышьяка. Средний диаметр частиц составляет 120·10-9м, плотность сульфида мышьяка равна 3,46·103кг/м3.

4.Привести схему строения двойного электрического слоя по теории Штерна.

5.Рассчитать ξ-потенциал частиц бентонитовой глины по ре- зультатам электрофореза при следующих условиях: расстояние меж- ду электродами 25 см; напряжение 100 В; за 15 мин частицы глины

15

перемещаются на 8 мм к аноду; относительная диэлектрическая про- ницаемость среды ε = 78,2; вязкость среды η = 8,94·10-4 Нс/м2; элек- трическая константа ε0 = 8,85·10-12Ф/м.

6.Указать, какие силы преобладают при сближении частиц ус- тойчивой дисперсной системы.

7.Показать, введение каких электролитов в дисперсную систему вызывает перезарядку частиц дисперсной фазы.

Задание 3

1.Показать, какими параметрами характеризуется раздроблен- ность дисперсной фазы коллоидной системы. Какова связь между ними?

2.Написать формулу мицеллы золя BaSO4, стабилизированного BaCl2. Отметить знак заряда коллоидных частиц. Указать, какие ионы являются потенциалопределяющими.

3.Назвать причины возникновения заряда на поверхности час- тиц дисперсной фазы.

4.Привести схему строения двойного электрического слоя по теории Штерна.

5.Вычислить ξ-потенциал на границе кварц-водный раствор KCl, если в процессе электроосмоса получены следующие данные:

сила тока I = 2·10-3А, время переноса 1·10-8 м3 раствора τ = 11с, удельная электропроводимость среды æ = 6,2·10-2 Ом-1·м-1, вязкость среды η = 1·10-3 Нс/м2, диэлектрическая проницаемость ε = 81, элек- трическая константа ε0 = 8,85·10-12 Ф/м.

6.Объяснить обусловленность термодинамической неустойчи- вости лиофобных дисперсных систем.

7.Показать, во сколько раз уменьшится порог коагуляции золя

As2S2, если для коагуляции вместо 0,5 кмоль/м3 раствора NaCl (его требуется 1,2·10-6м3 на 10·10-6м3 золя) использовать 0,036 кмоль/м3

раствор MgCl2 (0,4·10-6м3 на 10·10-6 м3 золя) и 0,01 кмоль/м3 раствор AlCl3 (0,1·10-6м3 на 10·10-6м3 золя). Полученные значения порогов коагуляции сопоставить с зависимостью порога коагуляции от заряда ионов, установленной Дерягиным и Ландау.

Задание 4

1. Объяснить, что такое золь. Привести строение мицеллы гид- рофобного золя на конкретном примере.

16

2.Рассмотреть получение коллоидных систем методом пептиза- ции. Привести пример.

3.Охарактеризовать электрокинетические явления I и II рода. Чем они обусловлены?

4.Показать на графике изменение потенциала течения на грани- це диафрагма из кварцевого порошка– раствор NaCl при увеличении концентрации NaCl, пользуясь следующими экспериментальными данными:

5.Охарактеризовать виды устойчивости коллоидных систем.

6.Написать формулу гидрозоля Au, стабилизированного KAuO2.

Укакого из электролитов – NaCl, BaCl 2, FeCl3 – порог коагуляции бу- дет иметь меньшую величину?

7.Показать, почему при введении в золи электролитов, содер- жащих трех- или четырехзарядные ионы, наблюдается чередование зон устойчивости и неустойчивости золей.

Задание 5

1.Охарактеризовать получение дисперсных систем методом диспергирования. Привести примеры.

2.Описать изменение дисперсности системы и удельной по- верхности частиц дисперсной фазы, если радиус сферических частиц

всистеме уменьшается от 10-6 до 10-8 м.

3.Написать формулы мицелл золей: Al(OH)3, стабилизирован- ного AlCl3 и SiO2, стабилизированного H2SiO3. Показать, для какого из указанных золей лучшим коагулянтом является раствор FeCl3 или

Na2SO4.

4.В чем заключается различие между лиофобными и лиофиль- ными коллоидными системами?

5.Найти величину ξ-потенциала на границе: мембрана из угле- кислого бария – 96 % раствор этилового спирта. Потенциал течения

Е= 0,7 В, приложенное давление Р = 7,9·10-3 Н/м2, удельная электропро-

водимость среды æ = 1,10·10-4 Ом-1·м-1, вязкость среды η = 1,2·10-3 Н·с/м2,

17

диэлектрическая проницаемость ε = 81, электрическая константа ε0 = 8,85·10-12 Ф/м.

6.Показать, какой из электролитов обладает большей коагули- рующей способностью относительно золя берлинской лазури

Fe4[Fe(CN)6]3, стабилизированного K4[Fe(CN)6], KCl, BaCl2, AlCl3.

7.Пояснить, что такое «неправильные ряды». К каким электро- литам относится это определение?

Задание 6

1.Назвать основные классы дисперсных систем в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды. Привести примеры дисперсных систем.

2.Написать формулу мицеллы гидрозоля Fe4[Fe(CN)6]3, стабили- зированного K4[Fe(CN)6]. Указать, какой ион является потенциало- пределяющим. Изобразить схему строения двойного электрического слоя.

3.Что принимают за толщину диффузной части двойного элек- трического слоя?

4.Показать, какое давление нужно приложить, продавливая че- рез мембрану из углекислого бария 96 % этиловый спирт, чтобы при

æ = 1,1·10-4 Ом-1·м-1, вязкость среды η = 1,2·10-3 Н·с/м2, диэлектрическая проницаемость ε = 81, электрическая константа ε0 = 8,85·10-12 Ф/м.

5.Показать, в чем состоит действие структурно-механического фактора стабилизации лиофобных дисперсных систем. Привести примеры стабилизированных систем.

6.Показать, какое количество раствора электролита Al2(SO4)3 концентрации 0,01 кмоль/м3 требуется для коагуляции 10-3м3 золя

As2S3? Порог коагуляции γ = 96·10-6 кмоль/м3.

7. Указать, от чего зависит величина порога коагуляции золя электролитом.

Задание 7

1. Показать, на что затрачивается работа при дроблении и из- мельчении материалов. Каким образом можно уменьшить работу диспергирования и повысить дисперсность измельченного материа- ла?

18

2.Охарактеризовать строение мицеллы золя Al(OH)3, стабили- зированного AlCl3. Назвать ее основные части.

3.Назвать причины возникновения двойного электрического слоя на межфазной поверхности.

4.Написать формулу мицеллы золя MgSO4, стабилизированного MgCl2. Указать потенциалопределяющие ионы. Пояснить, к какому электроду будут перемещаться коллоидные частицы в электрическом поле.

5.Вычислить скорость электрофореза коллоидных частиц бер-

линской лазури в воде, если ξ-потенциал составляет 0,058 В, гра- диент напряженности внешнего поля Н = 5·102 В/м, вязкость среды η = 1·10-3 Н·с/м2, диэлектрическая проницаемость ε = 81, электриче- ская константа ε0 = 8,85·10-12 Ф/м.

6.Показать, действием каких факторов обусловлена агрегатив- ная устойчивость золя MgSO4, стабилизированного MgCl2.

7.Показать, какое количество электролита K2Cr2O7 нужно доба- вить к 1·10-3м3 золя Al2O3, чтобы вызвать его коагуляцию. Концен-

трация электролита 0,01 кмоль/м3, порог коагуляции γ = 0,63·10-3 кмоль/м3.

Задание 8

1.Показать зависимость удельной поверхности дисперсной фа- зы от размера частиц. Какими методами получают лиофобные колло- идные системы?

2.Написать формулу мицеллы золя, полученного смешением равных объемов растворов BaCl2 и K2SO4. Какой из электролитов взят

визбытке, если коллоидные частицы золя имеют положительный за- ряд?

3.Чем определяется толщина плотной части двойного электри- ческого слоя?

4.Рассчитать величину потенциала течения Е, пользуясь экспе- риментальными данными метода электроосмоса и приложенного дав-

ления: объемная скорость v водного раствора NaCl равна 0,6·10-9 м3/сек, сила тока I = 3,6·10-4 А; давление, при котором раствор продавливался через мембрану, Р = 24·103 Н/м2.

5.Охарактеризовать структурно-механический фактор стабили- зации дисперсных систем. Привести конкретные примеры.

6.Что называют медленной и быстрой коагуляцией? Как влияет заряд коагулирующего иона на порог быстрой коагуляции?

19

7. Для коагуляции 1·10-5 м3 золя AgI требуется 0,45·10-6м3 рас- твора Ba(NO3)2. Концентрация электролита равна 0,05 кмоль/м3. Най- ти порог коагуляции золя.

Задание 9

1.Дать классификацию дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы.

2.Чем определяется критический радиус зародыша новой фазы?

3.Написать формулу мицеллы золя, полученного смешением равных объемов растворов CrCl3 и NH4OH. Какой из электролитов взят в избытке, если коллоидные частицы золя имеют положитель- ный заряд?

4.Описать строение двойного электрического слоя согласно теории Штерна. Как изменяется потенциал с расстоянием от поверх- ности?

5.Вычислить электрокинетический потенциал золя в метиловом спирте, если скорость электрофореза 6,6·10-4 см/с; градиент внешнего поля 3 В/см; вязкость раствора 6,12·10-8 П; диэлектрическая прони- цаемость 34,6. Дать формулировку порога коагуляции и показать, как он зависит от заряда коагулирующего иона.

6.Дать формулировку порога быстрой коагуляции и показать, как он зависит от заряда коагулирующего иона.

7.Охарактеризовать механизм стабилизации эмульсий поверх- ностно-активными веществами. Привести примеры.

Задание 10

1.Дать определение дисперсной системы. Показать признаки дисперсных систем.

2.Написать формулу мицеллы золя CoS, стабилизированного

CoCl2. Отметить знак заряда коллоидных частиц. Указать потенциа- лопределяющие ионы.

3.Охарактеризовать возможные причины возникновения двой- ного электрического слоя на поверхности дисперсных частиц. При- вести строение ДЭС согласно теории Штерна.

4.Вычислить величину потенциала течения Е на границе квар- цевая диафрагма– водный раствор NaCl, используя следующие экспериментальные данные: давление, при котором жидкость про-

давливается через диафрагму Р = 200 Н/м2, ξ-потенциал = 120·10-3В, диэлектрическая проницаемость ε = 81, электрическая константа

20