Поверхностные явления и дисперсные системы (90

ε0 = 8,85·10-12 Ф/м, вязкость среды η = 1·10-3 Нс/м2, удельная элек- тропроводимость среды æ = 8,0·10-3 Ом-1·м-1.

5. Изобразить схему двойного электрического слоя мицеллы зо- ля AgJ, стабилизированного KJ в изоэлектрическом состоянии. Чему равен ξ-потенциал?

6.Назвать виды устойчивости коллоидных систем. Что является мерой агрегативной устойчивости?

7.Объяснить механизм коагулирующего действия электролитов на коллоидные системы. Показать, как влияет заряд иона на коагули- рующую способность электролита.

Задание 11

1.Описать получение дисперсных систем методом диспергиро- вания. Привести примеры способов диспергирования.

2.Показать, какие условия необходимо соблюдать при получе- нии гидрозолей методом конденсации. Привести примеры.

3.Написать формулу мицеллы золя Fe(OH)3, стабилизированно- го FeCl3. Отметить знак заряда коллоидных частиц. Указать потен- циалопределяющие ионы.

4.Что называют электрокинетическим потенциалом? Какие факторы влияют на его величину?

5.Рассчитать электрокинетический потенциал по эксперимен-

тальным данным электрофореза частиц золя Fe(OH)3: внешняя э.д.с. 130 В, расстояние между электродами 0,45 м, смещение границы золя

ккатоду составило 12 мм за 20 мин. При температуре опыта, равной 298 К, вязкость дисперсионной среды 8,94·10-4 Н·с/м2 и относитель- ная диэлектрическая проницаемость 78,2.

6.Пояснить, для каких дисперсных систем в качестве стабилиза- торов используют мыла, белки. Привести примеры. Указать факторы стабилизации в таких системах.

7.Объяснить, что такое порог коагуляции и как он зависит от заряда коагулирующего иона.

Задание 12

1.Показать сущность конденсационных способов получения дисперсных систем. Привести примеры.

2.Написать формулу мицеллы золя Al(OH)3, стабилизированно- го AlCl3. Назвать ее основные части.

21

3.Привести схему двойного электрического слоя золя Al(OH)3 согласно теории Штерна. Назвать основные количественные характе- ристики двойного электрического слоя.

4.Показать изменение заряда коллоидных частиц золя Al(OH)3 при введении в него электролитов KCl, K2SO4. Изобразить графиче- ски. Указать, какой из вышеназванных электролитов обладает боль- шей коагулирующей способностью.

5.Вычислить скорость электрофореза частиц гидрозоля, если

градиент внешнего поля составляет 319 В/м; электрокинетический по- тенциал частиц равен 6,46·10-2 В; диэлектрическая постоянная воды 81; температура опыта 231К; вязкость среды 1·10-3 Н·с/м2; электриче-

ская константа ε0 = 8,85·10-12 Ф/м.

6.Что такое расклинивающее давление и каковы причины его возникновения?

7.Привести пример систем, стабилизированных адсорбционны- ми слоями поверхностно-активных веществ. Указать, какие факторы стабилизации проявляются в таких системах.

Задание 13

1.Показать, как изменится дисперсность системы и удельная

поверхность частиц дисперсной фазы, если радиус сферических час- тиц в системе уменьшить от 10-6 до 10-8 м.

2.Написать формулу мицеллы золя NiS, стабилизированного

NiCl2. Отметить знак заряда коллоидных частиц. Какие ионы являют- ся потенциалопределяющими?

3.Показать, как влияет добавление NaCl на состояние двойного электрического слоя частиц золя NiS. Пояснить на графике.

4.Назвать электрокинетические явления I и II рода. Пояснить, чем они обусловлены.

5.Показать, при какой силе тока в процессе электроосмоса водно- го раствора KCl через мембрану из полистирола его объемная скорость

будет равна 5,5·10-10 м3/сек. Удельная электропроводимость среды æ = 9·10-2 Ом-1·м-1, вязкость среды η = 1·10-3 Н·с/м2, диэлектрическая проницаемость ε = 81, электрическая константа ε0 = 8,85·10-12 Ф/м. Ве- личина ξ-потенциала равна 10·10-3В.

6. Объяснить явление коагуляции. Пояснить, какие воздействия на дисперсные системы могут вызвать коагуляцию.

22

7. Для коагуляции 1·10-5 м3 золя AgI требуется 4,5·10-7 м3 раство- ра Ba(NO3)2. Концентрация электролита равна 0,05 кмоль/м3. Найти порог коагуляции золя.

Задание 14

1.Привести основные признаки дисперсных систем. Объяснить,

вчем состоит отличие коллоидных систем от истинных растворов и как экспериментально можно установить это отличие.

2.Написать формулу мицеллы золя Be(OH)2, стабилизированного BeCl2. Отметить знак заряда коллоидных частиц. Указать потенциало- пределяющие ионы.

3.Показать влияние добавки Na2SO4 и NaCl на состояние двой- ного электрического слоя частиц золя Be(OH)2. Пояснить на графи- ке.

4.Указать возможные причины возникновения двойного элек- трического слоя на межфазной поверхности частиц. Привести приме- ры.

5.Вычислить величину потенциала течения Е, если через пленку коллодия продавливается водный раствор KCl при Р = 2·104 Н/м2. Удельная электропроводимость среды æ = 1,3·10-2 Ом-1·м-1, вязкость

среды η = 1·10-3 Н·с/м2, ξ-потенциал = 6·10-3В, диэлектрическая прони- цаемость ε = 81, электрическая константа ε0 = 8,85·10-12 Ф/м.

6.Объяснить, что называется порогом коагуляции и как он зави- сит от заряда коагулирующего иона.

7.Рассчитать энергию взаимодействия сферических частиц диа-

метром 200 нм в водном растворе NaCl по следующим данным: потен- циал диффузного слоя – 20 мВ; константа Гамакера А = 0,5·10-19 Дж; толщина диффузной части двойного электрического слоя 10-8 м, тем- пература – 293 К. Расстояние между частицами 10 нм.

Задание 15

1. Показать, во сколько раз увеличится свободная поверхностная

энергия золя Fe(OH)3, если радиус частиц дисперсной фазы уменьшит- ся от 10-6 до 10-9 м.

2. Указать, какие из ионов, присутствующие в растворе, будут адсорбироваться на поверхности агрегата молекул труднорастворимых веществ.

23

3.Показать схему строения двойного электрического слоя по тео- рии Штерна, указать все его части.

4.Рассчитать ξ-потенциал поверхности частиц бентолитовой глины по результатам электрофореза при следующих условиях: рас- стояние между электродами 25 см; напряжение 100 В; за 15 минут

частицы глины перемещаются на 8 мм к аноду; относительная ди- электрическая проницаемость среды 78,2; вязкость 8,94·10-4 Н·с/м2;

электрическая константа ε0 = 8,85·10-12 Ф/м.

5.Показать, действием каких факторов обеспечивается агрега- тивная устойчивость лиофобных дисперсных систем. Какие вещества используют в качестве стабилизаторов этих систем?

6.Для коагуляции 1·10-5 м3 золя AgI требуется 4,5·10-7 м3 раство- ра Ba(NO3)2. Концентрация электролита равна 0,05 кмоль/м3. Найти порог коагуляции золя.

7.Пояснить, чем обусловлена термодинамическая неустойчи- вость дисперсных систем.

Задание 16

1.Привести примеры коллоидных систем, встречающихся в природе в газообразных, жидких и твердых средах. Чем могут быть стабилизированы дисперсные фазы этих систем?

2.Определить величину удельной поверхности суспензии као- лина, плотность которого равна 2,5·103 кг/м. Частицы считать шаро- образными, средний диаметр частиц принять равным 5·10-7 м. Сус- пензию считать монодисперсной.

3.Написать формулу мицеллы золя SiO2, стабилизированного

H2SiO3.

4.Показать, как изменится заряд коллоидных частиц при введе- нии в золь диоксида кремния электролитов KCl и CaCl2.

5.Показать схему строения двойного электрического слоя. Из ка- ких частей состоит ДЭС согласно теории Штерна? Дать определение электрокинетического потенциала.

24

6. Построить кривую зависимости величины ξ-потенциала от диаметра пор капилляров кварцевой диафрагмы, пользуясь следую- щими экспериментальными данными электроосмоса:

Сила тока 3,2·10-4 А; удельная электропроводимость среды 1,6·10-2 Ом-1м-1; вязкость среды 1·10-3Н·с/м2; диэлектрическая прони- цаемость 81, электрическая константа 8,85·10-12 Ф/м.

7. Объясните, как можно получить агрегативно-устойчивую кол- лоидную систему.

25

Тема 3 КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ; ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ; ДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ

Задание 1

1.Показать, как влияют размеры частиц на зависимость оптиче- ской плотности «белых» золей от длины волны падающего света.

2.Объяснить, чем различаются методы нефелометрии и турби- диметрии. Какие параметры дисперсных систем определяют этими методами?

3.Показать, в чем причина молекулярно-кинетических явлений. Почему они распространяются преимущественно на высокодисперс- ные системы?

4.Привести и проанализировать уравнение Рэлея.

5.Седиментационный анализ, его назначение и ограничения.

6.Вычислить скорость оседания аэрозоля хлористого аммония

(плотность ρ = 1,5·103 кг/м3) с частицами радиуса r = 5·10-7 м. Вязкость воздуха η = 1,76·10-5 Н·с/м2. Величиной плотности воздуха пренебречь.

7. Используя экспериментальные данные седиментации молотого песка в воде, построить дифференциальную кривую распределения по радиусам:

Плотность песка ρ = 2,1·103 кг/м3, плотность воды ρ0 = 1·103 кг/м3, вязкость воды η0 = 1·10-3 Н·с/м2, высота h = 11·10-2 м.

Задание 2

1.Какие оптические методы используются для определения раз- меров частиц дисперсных систем? Указать границы применимости (по дисперсности) этих методов.

2.Объяснить, каковы преимущества и недостатки электронной микроскопии для определения размеров частиц дисперсных систем.

3.Охарактеризовать явление диффузии. Привести примеры.

4.Показать, какова природа броуновского движения дисперсных частиц. Чем характеризуется интенсивность броуновского движения?

26

5.Охарактеризовать количественную взаимосвязь между бро- уновским движением частиц и тепловым движением молекул среды. Как можно рассчитать число Авогадро, используя это соотношение?

6.Объяснить назначение дифференциальных кривых распреде- ления частиц по размерам. Показать, как изменяется вид кривых рас- пределения по мере приближения полидисперсной системы к моно- дисперсной.

7.Пользуясь экспериментальными данными седиментационного анализа молотого песка в воде, проведенного с помощью торзионных весов, построить дифференциальную кривую распределения частиц суспензии по радиусам.

Плотность песка ρ = 2,1·103 кг/м3, плотность воды ρ0 = 1,0·103 кг/м3, вязкость среды η0 = 1·10-3 Н·с/м2, высота h = 1·10-1 м.

Задание 3

1.Охарактеризовать, какие оптические явления наблюдают при падении луча света на дисперсную систему. Какие методы исследова- ния дисперсных систем основаны на этих явлениях?

2.Показать, чем обусловлено светорассеяние в дисперсных сис- темах и истинных растворах. Какими параметрами количественно ха- рактеризуется рассеяние света в системах?

3.Показать, в чем заключается явление диффузии. Показать связь между сдвигом частицы и коэффициентом диффузии.

4.Найти коэффициент диффузии частиц высокодисперсной фракции суспензии глины в воде при радиусе порядка 10-7 м. Вязкость

среды η0 = 6,5·10-4 Н·с/м2, температура Т = 313 К.

5.Охарактеризовать устойчивость дисперсных систем. В чем за- ключается особенность седиментационной устойчивости?

6.Охарактеризовать монодисперсные и полидисперсные систе- мы. Что служит характеристикой полидисперсности?

7.Построить дифференциальную кривую распределения по ра- диусам суспензии каолина в анилине, используя следующие экспери- ментальные данные седиментационного анализа:

27

Плотность дисперсной фазы ρ = 2,3·103 кг/м3, плотность среды

ρ0 = 1,02·103 кг/м3, вязкость среды η0 = 4,43·10-3 Н·с/м2, высота h = 1·10-1 м.

Задание 4

1.Показать, чем обусловлено светорассеяние в дисперсных сис- темах и истинных растворах. Какими параметрами количественно ха- рактеризуется рассеяние света в системах?

2.Показать взаимосвязь между оптической плотностью и мутно- стью системы.

3.Объяснить, для каких дисперсных систем применимо уравне- ние Рэлея.

4.Объяснить, какие свойства дисперсных систем называют моле- кулярно-кинетическими.

5.Объяснить природу броуновского движения дисперсных час- тиц. Как характеризуется интенсивность броуновского движения?

6.Показать, в чем заключается гипсометрический закон распре- деления частиц дисперсной фазы по высоте.

7.Пользуясь экспериментальными данными седиментационного анализа двуокиси титана TiO2 в бутилацетате, проведенного с помо- щью торзионных весов, построить дифференциальную кривую рас- пределения частиц суспензии по радиусам:

1.Объяснить, какие основные методы используются для опреде- ления размеров частиц и для каких дисперсных систем они применя- ются?

2.Даны две различные коллоидные системы с одинаковыми раз- мерами частиц дисперсной фазы (r1 = r2), но различающиеся между

28

собой по показателям преломления (n1=1,43 и n2=1,33). Указать, в ка- кой коллоидной системе (в первой или во второй) интенсивность рас- сеянного света под углом рассеяния 90° будет больше и почему.

3.Объяснить, в чем заключается явление диффузии. Показать, что такое градиент концентрации, скорость диффузии и коэффициент диффузии.

4.Охарактеризовать броуновское движение частиц дисперсных систем. Показать, в каких системах возможно броуновское движение. Привести примеры.

5.Объяснить, какие системы называют монодисперсными и по- лидисперсными. Что служит характеристикой полидисперсности сис- темы?

6.Охарактеризовать диффузионно-седиментационное равнове-

сие.

7.Построить кривую распределения суспензии оксида цинка ZnO

вацетоне, пользуясь следующими экспериментальными данными:

Плотность ZnO ρ = 5,66·103 кг/м3, плотность среды ρ0 = 0,799·103 кг/м3, вязкость среды η0 = 0,33·10-3 Н·с/м2, высота h = 1·10-1 м.

Задание 6

1.Указать, для каких систем применяют седиментацию в центро- бежном поле. Как в этом случае рассчитать радиус сферических час- тиц?

2.Пояснить, с какой скоростью будут оседать капли водяного тумана с радиусами r1 = 1·10-2 см и r2 = 1·10-4 см (вязкость воздуха

η= 1,8·10-5 Н·с/м2)? Величиной плотности воздуха и конвенционными течениями можно пренебречь.

3.Объяснить, какие оптические явления наблюдаются при паде- нии луча света на дисперсную систему.

4.Написать уравнение Бугера-Ламберта-Беера и проанализиро- вать его.

5.Показать, какие диаграммы называются индикатрисами свето- рассеяния.

29

6. Частицы бентолита дисперсностью D = 0,8 мкм-1 оседают в водной среде под действием силы тяжести. Определить время оседа-

r = 50 нм, температура опыта 293 К, вязкость среды η0 = 1·10-3 Па·с.

Задание 7

1.Показать, в чем причина молекулярно-кинетических явлений.

2.Показать взаимосвязь между сдвигом частицы и коэффициен- том диффузии.

3.Показать, в чем заключается явление светопоглощения. Какие оптические явления наблюдаются в коллоидных системах?

4.Объяснить, для каких дисперсных систем применяется седи- ментационный анализ в центробежном поле.

5.Каково назначение интегральных и дифференциальных кривых распределения частиц по размерам? Как изменяется вид кривых рас- пределения по мере приближения полидисперсной системы к моно- дисперсной?

6.Рассчитать осмотическое давление 30 % (масс.) гидрозоля SiO2 при 293 К, если удельная поверхность частиц Sуд. = 2,7·105 м2/кг. Плот-

ность частиц гидрозоля ρ = 2,2 г/см3, плотность среды ρ0 = 1,15 г/см3. 7. Ниже приведены данные о распределении частиц гидрозоля

золота по высоте столба при седиментационно-диффузионном равно- весии:

Определите средний размер частиц гидрозоля, если плотность дисперсной фазы равна 19,3 г/см3, температура Т = 293 К.

Задание 8

1.Объяснить, какими оптическими методами можно измерить размеры коллоидных частиц. На каких явлениях они основаны.

2.Показать связь между оптической плотностью и мутностью зо- лей. Для каких дисперсных систем применимо уравнение Рэлея.

30