Дисперсные системы. Теория и практика. Методические указания

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Методические указания

Казань Издательство КНИТУ

2018

1

УДК 54(076)

ББК Гя7

Д48

Печатаются по решению методической комиссии института нефти, химии и нанотехнологии

Рецензенты: проф. М. Б. Газизов проф. Н. Б. Березин

Составители: Е. Е. Стародубец Т. П. Петрова

Н. Ш. Мифтахова

Дисперсные системы. Теория и практика : методические Д48 указания / сост.: Е. Е. Стародубец, Т. П. Петрова, Н. Ш. Мифтахова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол.

ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 52 с.

Содержат примеры решения заданий, задания для самостоятельной работы, а также лабораторные работы.

Предназначены для студентов, обучающихся по химикотехнологическим направлениям подготовки и специальностям.

Подготовлены на кафедре неорганической химии.

УДК 54(076)

ББК Гя7

2

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Общие понятия о дисперсных системах

Абсолютно чистых веществ в природе практически не существует. Даже небольшое количество примесей приводит к образованию смеси веществ, обладающей свойствами, отличными от свойств чистого вещества. Системы, в которых очень мелкие частицы одного вещества (дисперсной фазы) равномерно распределены в объеме другого вещества (дисперсионной среды), называются

дисперсными системами.

По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды различают несколько типов дисперсных систем (табл. 1).

4

По размеру частиц дисперсной фазы различают взвеси,

Рис. 1. Деление дисперсных систем по размерам частиц дисперсной фазы

Из грубодисперсных систем наиболее распространены суспензии и эмульсии. Для суспензий характерно явление седиментации — осаждения частиц твердой дисперсной фазы под действием силы тяжести или центробежных сил. Если плотности дисперсионной фазы и дисперсионной среды близки, то седиментация идет медленно, и суспензии называют взвесями. Суспензиями являются многие строительные материалы, например краски, побелка, бетон, цементный раствор и др.

Эмульсии с течением времени могут расслаиваться. Многие лекарственные, косметические средства, пестицидные препараты являются эмульсиями.

При достаточно малых размерах частиц дисперсной фазы (10–9 – 10–7 м) дисперсные системы называют коллоидными растворами. Для них характерно явление опалесценции, связанное со способностью рассеивать падающий свет за счет частиц дисперсной фазы, которые по размерам сравнимы с длиной волны излучения. Например, при пропускании через коллоидный раствор луча света в нем появляется светящаяся дорожка (эффект Тиндаля).

Важнейшие виды коллоидных систем — это золи и гели. Для золей характерно явление коагуляции, т. е. укрупнение частиц дисперсной фазы за счет сталкивания друг с другом с течением времени. При длительном хранении золи могут превращаться в гели, дисперсная фаза и дисперсная среда при этом меняются ролями. Гели по сравнению с золями имеют пониженную текучесть и представляют собой студнеобразную коллоидную систему. Однако при нагревании гель может снова превратиться в золь.

5

Истинными растворами называют гомогенные системы переменного состава с размером частиц < 10–9м, состоящие из двух или более компонентов. Растворитель и растворённые вещества называют компонентами раствора. За растворитель принимается вещество, которое имеет то же агрегатное состояние, что и раствор. Если все вещества раствора находятся в одном и том же агрегатном состоянии, то растворителем считается вещество, которое имеется в большем количестве.

Растворы делятся по агрегатному состоянию на твёрдые, жидкие и газообразные. Примером газообразного раствора может быть воздух — раствор кислорода и других газов в азоте. К жидким растворам относится морская вода, содержащая растворенные неорганические соли. Твердыми растворами являются многие сплавы металлов: чугун, латунь, бронза, медный монетный сплав (медь, олово, марганец), никелевый монетный сплав (медь, никель), сплав для золотых ювелирных украшений (золото, медь, серебро, цинк и др.).

Жидкие растворы

Наиболее значимую роль в природе, в химических и биохимических процессах играют жидкие растворы, в которых растворителем является вода. Для характеристики растворимости кристаллических веществ в воде используют понятие «растворимость вещества». Растворимость вещества — это максимально возможное содержание вещества в растворе. Растворимость выражают числом граммов вещества, которое растворяется в 100 г воды (прил. 1). Растворимости веществ значительно различаются и определяются природой как самого вещества, так и растворителя.

По растворимости в воде вещества делят:

—на растворимые (соли щелочных металлов, соли аммония и др.): в 100 г воды при 20 °C растворяется не менее 1 г вещества, в таблице растворимости они обозначаются буквой р;

—малорастворимые (гидроксид кальция, хлорид свинца, сульфат серебра и др.): в 100 г воды при 20 °C растворяется менее 1 г вещества, обозначаются буквой м;

—труднорастворимые (сульфат бария, карбонат кальция, гидроксид железа (III)): в 100 г воды при 20 °C растворяется менее 0,001 г вещества, обозначаются буквой н.

6

По содержанию растворенного вещества различают растворы насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные, а по соотношению количества растворенного вещества и растворителя — разбавленные и концентрированные растворы.

Насыщенный раствор — это раствор, в котором вещество при данных температуре и давлении больше не растворяется. В отличие от насыщенного, в ненасыщенном растворе можно растворить дополнительное количество вещества. Пересыщенный раствор содержит растворенного вещества больше, чем его должно быть в данных условиях в насыщенном растворе, поэтому представляет собой неустойчивую систему, самопроизвольно переходящую в состояние насыщенного раствора путем выпадения в осадок избытка растворенного вещества.

Разбавленными являются растворы с небольшим содержанием растворенного вещества; к концентрированным относят растворы с большим содержанием растворенного вещества. Для хорошо растворимых веществ растворы могут быть ненасыщенными, но довольно концентрированными. Для малорастворимых веществ даже насыщенные растворы являются разбавленными.

Основные параметры, характеризующие состояние раствора: концентрация, плотность, температура и давление.

Различные способы выражения концентрации растворов

Концентрация раствора — это величина, отражающая соотношение между растворенным веществом и растворителем. Концентрацию раствора выражают различными способами в зависимости от цели, которую преследует химик или технолог. Так, в технике, медицине, экологии обычно более удобны процентные концентрации. В лабораторной практике количество растворённого вещества в растворе чаще выражают молярной концентрацией или молярной концентрацией эквивалента (нормальной концентрацией). Существуют и другие способы выражения концентрации растворов.

Массовая доля растворенного вещества. Массовая доля растворенного вещества ω (омега) — это отношение массы растворенного вещества mв-ва к общей массе раствора mр-ра, выраженное в долях единицы или в процентах:

7

В некоторых заданиях на приготовление растворов вместо массы растворителя или всего раствора указывается их объем V. В этом случае необходимо учитывать плотность ρ соответствующей жидкости и рассчитать ее массу, используя формулы

Врасчетах для воды принимается ρ = 1 г/см3 (1 г/мл, 1 кг/м3, 1000 г/м3, 1000 г/л). Плотность водных растворов некоторых веществ приведена в табл. 2.

Молярная концентрация (молярность раствора). Молярная

концентрация С — это число молей растворённого вещества νв-ва в 1 л раствора.

Вмолях исчисляется количество вещества ν (ню). Один моль представляет собой количество вещества, которое содержит столько же частиц (атомов, молекул или др.), сколько содержится атомов в

0,012 кг (12 г) изотопа углерода 126C. Экспериментально установлено, что 1 моль вещества содержит 6,022∙1023 (число Авогадро NA) частиц (молекул, атомов, ионов или др.). Количество вещества ν определяется как отношение массы вещества mв-ва к его молярной массе М (массе одного моля этого вещества):

8

Таким образом, молярная концентрация С определяется соотношением

где С — молярная концентрация, моль/л; νв-ва — количество вещества, моль; m — масса растворенного вещества, г; М — молярная масса растворенного вещества, г/моль; Vр-ра — объем раствора, л.

Как правило, размерность моль/л записывают буквой М. Например, раствор концентрацией 1 М содержит 1 моль вещества в литре раствора. Такой раствор называют молярным. Раствор концентрацией 0,1 М содержит 0,1 моль вещества в литре раствора и называется децимолярным. Растворы концентрацией 0,01 М (или 0,01 моль/л) называют сантимолярными.

Таблица 2

Плотность водных растворов некоторых веществ при 20 °C

Молярная концентрация химического эквивалента

(нормальная концентрация, нормальность раствора). Молярная концентрация химического эквивалента (нормальная концентрация,

9

или нормальность раствора) Сэкв — это число молей химического эквивалента растворённого вещества νэкв в 1 л раствора:

Если 1 л раствора содержит 1 моль химического эквивалента растворенного вещества, то раствор называют нормальным и обозначают 1 н, если 2 моль химического эквивалента — двунормальным и обозначают 2 н. Растворы, которые содержат 0,001, 0,01, 0,1 моль химического эквивалента вещества в 1 л раствора, соответственно называются миллинормальными, сантинормальными и децинормальными.

Количество химического эквивалента растворенного вещества νэкв находят как отношение массы растворенного вещества mв-ва к молярной массе его эквивалента Mэкв:

Молярная масса химического эквивалента вещества Mэкв — это отношение молярной массы вещества М к числу эквивалентности zэкв:

экв zэкв

Число эквивалентности zэкв показывает, сколько химических эквивалентов содержит одна формульная единица вещества, например молекулы HCl, NaOH, Н2О и др. Число эквивалентности zэкв

определяется следующим образом:

– для кислоты zэкв = основность кислоты, значит,

– для основания zэкв = число гидроксид-ионов, значит,

Mэкв = число-гидроксид-ионов.

10