Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Коллоидная химия дисперсные системы и частицы. Курс лекций

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 61 2 3 4 5 6 > Следующая >>>

№ 2007

Кафедра физической химии

Е.А. Новикова Г.А. Фролов

Коллоидная химия

Дисперсные системы и частицы

Курс лекций

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 150100 – Металлургия и 150700 – Физическое материаловедение

Москва 2011

УДК 544.7 Н73

Рецензент

канд. техн. наук Ю.Б. Сазонов

Новикова, Е.А.

Н73 Коллоидная химия : дисперсные системы и частицы : курс

лекций / Е.А. Новикова, Г.А. Фролов. – М. : Изд. Дом МИСиС,

2011. – 52 с. ISBN 978-5-87623-477-3

Курс лекций содержит описание дисперсных частиц и дисперсных сис-

тем, их классификацию, получение и очистку. Рассмотрены молекулярнокинетические свойства дисперсных систем: осмотическое давление, диффузия, вязкость.

Предназначен для студентов специальностей 210602, 220301.

УДК 544.7

ISBN 978-5-87623-477-3

Е.А. Новикова,

Г.А. Фролов, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. Объекты и задачи коллоидной химии ..................................4

1. Предмет коллоидной химии. Классификация дисперсных

систем ........................................................................................................9

1.1. Дисперсные частицы. Классификация дисперсных

частиц.....................................................................................................9

1.1.1. Классификация дисперсных частиц по размерам..............10

1.1.2. Классификация дисперсных частиц по форме...................11

1.1.3. Классификация дисперсных частиц по строению .............11

1.2. Дисперсные системы. Классификация дисперсных

систем ..................................................................................................12

1.2.1. Классификация по размеру частиц дисперсной фазы

(по дисперсности)...........................................................................12

1.2.2. Классификация

дисперсной фазы и дисперсионной среды ...................................13

1.2.3. Классификация по наличию взаимодействия между

частицами дисперсной фазы..........................................................14

1.2.4. Классификация по фракционному составу частиц

дисперсной фазы.............................................................................14

1.2.5. Классификация по характеру распределения фаз

(дисперсных частиц и дисперсионной среды).............................14

1.2.6. Классификация по агрегатному состоянию

дисперсной фазы и дисперсионной среды ...................................15

1.3. Количественные характеристики дисперсных систем.............16

2. Получение,

стабилизация и очистка дисперсных систем...............18

2.1. Получение дисперсных частиц...................................................18

2.1.1. Диспергационные методы....................................................18

2.1.2. Конденсационные методы ...................................................23

2.2. Методы получения дисперсных систем. ...................................28

2.3. Стабилизация дисперсных систем .............................................29

2.4. Очистка дисперсных систем.......................................................30

3. Молекулярно-кинетические свойства ..............................................33

3.1. Осмотическое давление ..............................................................33

3.2. Диффузия дисперсных частиц....................................................33

3.3. Броуновское движение частиц в дисперсных системах...........36

3.4. Вязкость дисперсных систем......................................................38

4. Седиментация .....................................................................................46

Библиографический список ...............................................................51

по интенсивности взаимодействия

ВВЕДЕНИЕ. ОБЪЕКТЫ И ЗАДАЧИ

КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Коллоидная химия изучает свойства разнообразных систем (неорганических, органических, полимерных, белковых), в которых хотя бы одно из веществ находится в виде частиц размером примерно от 1 нм (несколько молекулярных размеров) до 10 мкм. Частицы таких размеров называют дисперсными (лат. dispergo – рассеивать, распылять).

Дисперсные частицы могут находиться в любом агрегатном состоянии: твердом ( манах и эмульсиях), газообразном (пузыри в пенах). Существуют и более сложные по строению дисперсные частицы. Их внутренняя структура существенно отличается от твердого тела или жидкости.

Дисперсные частицы по размерам занимают промежуточное положение между молекулами (атомами, ионами) и макроскопическими объектами (фазами). Выделение в особую частиц вызвано несколькими обстоятельствами. Прежде всего, мно4гие физические и химические свойства дисперсных частиц начинают отличаться от аналогичных свойств крупных (макроскопических) объектов для одного и того же вещества. К числу таких свойств относятся прочность, теплоемкость, температуры перехода из одного агрегатного состояния в другое, температуры инициации химической реакции с другими веществами, магнитные и электрические характеристики, реакционная способность. Эти различия называют размерными (или масштабными) эффектами. Они выражены тем сильнее, чем меньше размер дисперсных частиц, и поэтому особенно характерны для частиц нанометровых размеров (наночастиц). Особые свойства наночастиц (в том числе и наличие у них квантовых свойств)

открывают принципиально новые практические приложения химии, физики, биологии. Поэтому изучение дисперсных частиц (методов получения, структуры частиц, их физических и химических свойств) относится к наиболее актуальным и перспективным задачам ряда научных дисциплин.

Дисперсные системы обычно состоят из двух фаз: дисперсной фа-

зы, ее образуют дисперсные частицы, и дисперсионной среды – сплошной

(непрерывной) фазы, в которой распределены дисперсные частицы. Дисперсионная среда, как и дисперсная фаза, может находиться в любом агрегатном состоянии: твердом, жидком или газообразном.

микрокристаллы, волокна), жидком (капли в ту-

группу дисперсных

Наиболее общее явление, характерное для любой дисперсной системы, – это укрупнение дисперсных частиц (коагуляция), т.е. увеличение их размера.

Механизмы укрупнения дисперсных частиц могут быть разными, например, прямое столкновение капель в эмульсиях или аэрозолях с их последующим слиянием (так называемая коалесценция). Укрупнение частиц постепенно приводит к утрачиванию тех физических

и химических особенностей, которые присущи именно дисперсным частицам. Поэтому проблема устойчивости дисперсных систем, т.е. сохранения размеров частиц в течение длительного времени, является центральной в коллоидной химии.

Неравновесное состояние дисперсных систем помимо их термодинамической неустойчивости имеет еще одно важное следствие. С позиций неравновесной термодинамики эволюция систем, далеких от равновесия, может протекать по биологическому типу с образованием упорядоченных диссипативных (самоорганизующихся) структур. Такая самоорганизация может происходить внутри дисперсионной среды. Процессы самоорганизации могут протекать и на поверхностях раздела фаз. Самоорганизация органических веществ (особенно белков) на поверхности воды с образованием определенных упорядоченных структур имеет исключительно большое значение для формирования биологических

объектов. Это направление, изучающее эволюцию дисперсных систем на основе положении неравновесной термодинамики, является пограничным между коллоидной химией и биологией.

Коллоидная химия использует при изучении дисперсных систем законы химии, физики, физической химии. Химические теории обычно преобладают в области высокодисперсных систем, поверхностных слоев жидкостей и твердых тел и нанесенных

на них адсорбционных слоев различных веществ. Например, для расчета электронной структуры наночастиц (кластеров) и ее влияния на их каталитические свойства успешно применяют методы квантовой механики. Константу адсорбционного равновесия на поверхности жидкости или твердого тела рассчитывают на основе фундаментального закона химических реакций – закона действующих масс. Кинетика агрега-

дисперсных частиц при их столкновениях вследствие броунов-

ции ского движения в дисперсионной среде (кинетика коагуляции) построена на аналогии этого процесса с бимолекулярной реакцией. Теоретические представления электрохимии о строении двойного электрического слоя лежат в основе теории электроповерхностных и

электрокинетических явлений (электрофорез, электроосмос). Они используются также в теории устойчивости дисперсных систем.

Химические реакции лежат в основе многих методов получения высокодисперсных частиц, в том числе наночастиц. Особенно часто используют химическое восстановление металлов. Контроль температуры, рН растворов и их концентрации позволяет достаточно гибко регулировать размеры получаемых частиц. Наряду с химическим восстановлением

в ходе обменных реакций в растворах для синтеза дисперсных частиц успешно применяют фотохимическое и радиационно-химическое восстановление металлов.

Химические методы синтеза твердых дисперсных частиц были успешно развиты еще на начальном этапе становления коллоидной химии – во второй половине XX в. В этот период были получены дисперсные частицы самых разнообразных веществ. Важнейший обобщающий вывод этих исследований – принцип универсальности дисперсного состояния, т.е. в виде дисперсных частиц может существовать (при определенных условиях) любое вещество. Этот принцип установил русский химик П.П. Веймарн в 1905–1910 гг.

Важный химический аспект коллоидной химии связан с поверхностно-активными веществами, которые играют роль наиболее эффективных и

гибких регуляторов поверхностных свойств дисперсных систем. В создание этого исключительно плодотворного направления коллоидной химии основополагающий вклад внесли работы академика П.А. Ребиндера и лауреата Нобелевской премии по химии И. Ленгмюра.

Химический состав поверхностно-активных веществ и строение их молекул определяют такие важные для коллоидной химии процессы, как

формирование адсорбционных слоев на поверхности дисперсных частиц, образование мицелл в растворах, стабилизация пен, эмульсий и других дисперсных систем. За последние 15–20 лет эти возможности еще более расширились благодаря применению смесей поверхностно-активных веществ. Кроме того, сейчас синтезированы принципиально новые вещества; широко применяют полимерные и белковые поверхностно-активные вещества.

Необходимо отметить еще

один химический аспект коллоидной химии, связанный, однако, не с изучением дисперсных систем, а с их применением. Некоторые типы дисперсных систем (мицеллярные растворы, микроэмульсии) оказались чрезвычайно перспективны, как микрореакторы. Важным материалом для микроэлектроники является порошок из нанодисперсных частиц полупроводника CdS.

Существенно, чтобы эти частицы имели одинаковый размер. Для решения этой задачи используют две микроэмульсии: одна из них содержит микрокапли нужного размера водного раствора Сd(NО

3)2

среде органической жидкости, другая – микрокапли водного раствора Na

S в той же органической жидкости. При сливании и перемеши-

вании этих микроэмульсий происходит попарное слияние (коалесценция) капель и в них осуществляется обменная реакция с образованием CdS. Размер частиц определяется стерическим условием – диаметром слившейся капли (размером микрореактора).

Физические методы занимают доминирующее место в изучении

различных свойств дисперсных систем. Так, определение

размеров дисперсных частиц (так называемый дисперсионный анализ) проводят по скорости их осаждения (седиментации) или всплывания в жидкой дисперсионной среде.

Для частиц размером в несколько десятков нанометров используют оптические свойства дисперсных систем, прежде всего способность коллоидных растворов рассеивать свет (в отличие от истинных растворов – молекулярных и ионных).

Для прямого

измерения размера наночастиц применяют элек-

тронную микроскопию.

Структуру дисперсных частиц и тонких пленок изучают соответствующими физическими методами: рентгеноструктурный анализ, дифракция электронов, эллипсометрия. Внутреннюю динамику нежестких дисперсных частиц исследуют с использованием резонансных методов.

Большая группа методов коллоидной химии связана с измерением реологических свойств дисперсных структур и частиц, а

также вязкости эмульсий, суспензий, паст и других дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой. Современные приборы для этих целей весьма разнообразны, они позволяют определять достаточно точно эти механические и гидродинамические характеристики.

Наряду с химическими и физическими методами в последнее время стали применять, хотя и в меньшей мере, некоторые биофизиче ские и биохимические методы, в особенности при изучении различных явлений в белковых и полимерных коллоидных системах (гелях, адсорбционных слоях, пленках Ленгмюра – Блоджетт).

Современные направления коллоидной химии:

1. Самоорганизация – самопроизвольное образование высокоор-

ганизованных диссипативных структур.

2. Строение и свойства нанодисперсных частиц (размерные эф-

фекты).

3. Дисперсные системы с ультранизким поверхностным натяже-

нием (вплоть до 10

–3

мДж/м2) на границе дисперсной фазы и диспер-

сионной среды (микроэмульсии).

4. Коллоидные системы в условиях частичной и полной невесомо-

сти.

5. Применение методов компьютерного моделирования коллоид-

но-химических процессов.

6. Синтез и применение новых поверхностно-активных веществ, в

том числе высокомолекулярных и белковых.

7. Применение методов коллоидной химии в медицине (например,

создание заменителей

крови, проблема образования тромбов), в об-

ласти охраны окружающей среды и биотехнологии.

1. ПРЕДМЕТ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Коллоидная химия – наука о поверхностных явлениях в дисперсных системах, их физических, химических и механических свойствах.

Дисперсные системы – это гетерогенные системы, в которых одна из фаз представлена частицами определенного размера – примерно от 1 нм до 10 мкм.

Дисперсные системы получили особое название:

эмульсии – капли одной жидкости распределены в среде другой жидкости;

аэрозоли

туман);

коллоидные растворы (золи) – твердые частицы распределены в жидкости.

Частицы, размер которых соответствует интервалу от 1 нм до 10 мкм, называют дисперсными.

По агрегатному состоянию дисперсные частицы могут быть твердыми, жидкими или газообразными; вместе с тем во многих случаях они имеют

Совокупность (ансамбль) дисперсных частиц называют дисперсной фазой. Дисперсные частицы находятся в сплошной фазе – дисперсионной среде. Дисперсионные среды могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

– твердые частицы или капли взвешены в воздухе (дым и

более сложное строение.

1.1. Дисперсные частицы. Классификация дисперсных частиц

Физические и химические свойства дисперсных частиц существенно отличаются от свойств макроскопических образцов данного вещества. Эти отличия выражены тем сильнее, чем меньше размер дисперсных частиц. Изучение методов получения, структуры, физических и химических свойств дисперсных частиц – наиболее актуальные задачи коллоидной химии.

Дисперсные частицы очень разнообразны по размеру, форме, строению и

химическому составу (табл. 1.1).

Классификация дисперсных частиц

Признак классификации Название дисперсных частиц

Размер частиц:

1…10 нм 10 нм … 1 мкм 1…100 мкм

Форма частиц:

• длина, ширина и толщина частиц примерно одинаковы и составляют от 1 нм до 10 мкм

• толщина частиц составляет от 1 нм до 10 мкм, длина и ширина – более 100 мкм

• диаметр поперечного сечения со- ставляет от 1 нм до 10 мкм

• сферическая, кубическая

• эллипсоидная, призматическая

Строение частиц:

• твердые частицы; жидкие капли и пленки; газовые пузырьки, пленки

• мицеллы в растворах поверхностно- активных веществ; кластеры

Химический состав частиц

Таблица 1.1

Ультрадисперсные Высокодисперсные Грубодисперсные

Объемные (трехмерные)

Поверхностные (двухмерные): например,

Линейные (одномерные): тонкие нити, волокна Симметричные Анизодиаметричные

Фазовые

Псевдофазовые

Неорганические Органические Полимерные Биополимерные

тонкие пленки и слои

1.1.1. Классификация дисперсных частиц по размерам

Самыми малыми дисперсными частицами являются наночастицы. Наночастицы содержат несколько сотен (или менее) атомов. Они имеют сложную внутреннюю структуру. Важная особенность наночастиц по сравнению с более крупными частицами заключается в том, что из-за предельно малых размеров у них отсутствует различие между поверхностными и объемными

свойствами. К числу наиболее известных наночастиц относятся фуллерены (разветвленные образования, состоящие из атомов углерода). Характерный признак ультрадисперсных частиц (наночастиц) – зависимость их свойств от размера частиц, т. е. наличие размерных (масштабных) эффектов.

Высокодисперсные частицы благодаря своим малым размерам

способны участвовать в броуновском движении.

1 / 61 2 3 4 5 6 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]