Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Поверхностные явления и свойства дисперсных систем. Учебное пособие
.pdf
31
2) уменьшает высоту капиллярного поднятия
гт
жт
0
dV
dS
0
dV
dS
90
90
3) не изменяет высоту капиллярного поднятия
9. Укажите рисунок, на котором правильно показано положение и форма мениска воды в капилляре, имеющем гидрофильную поверхность
1) 2)
3) 4)
10. Укажите рисунок, на котором правильно показаны положение и форма мениска воды в капилляре, имеющем гидрофобную поверхность
1) 2)
3) 4)
11. При каких условиях жидкость не будет самопроизвольно
пропитывать пористое тело? – кривизна поверхности жидкости;
и
– поверхностные натяжения на границах твердого тела
с газовой фазой и жидкостью соответственно; θ – краевой угол.
1)
3)
2)
4)
32
12. При каких условиях жидкость будет самопроизвольно про-
0
dV
dS
0
dV
dS
90
90
питывать пористое тело? Где – кривизна поверхности жидкости; σ
т-г
и σ
– поверхностные натяжения на границах твердого тела с га-
т-ж
зовой фазой и жидкостью соответственно; θ – краевой угол.
1)
2)
3)
4)
13. Выберите один правильный ответ. В основе теории капиллярной конденсации лежит уравнение
1) Кельвина 2) Генри
3) Ленгмюра 4) Фрейндлиха
5) БЭТ
14. Выберите один правильный ответ. Влияние дисперсности
на давление насыщенного пара над каплей жидкости
1) тем выше, чем выше её поверхностное натяжение
2) тем выше, чем ниже её поверхностное натяжение
3) не зависит от поверхностного натяжения
15. Выберите один правильный ответ. С увеличением кривизны поверхности капли жидкости, давление насыщенного пара над выпуклой поверхностью жидкости с увеличением степени дисперсности
1) возрастает 2) понижается 3) не изменяется
16. Выберите правильные ответы. Для протекания капиллярной
конденсации необходимы условия:
1) капиллярной конденсации должна предшествовать полимолекулярная адсорбция
2) капиллярной конденсации должна предшествовать мономолекулярная адсорбция
3) жидкий адсорбат должен смачивать стенки пор
4) жидкий адсорбат не должен смачивать стенки пор
5) адсорбент должен содержать макропоры
6) адсорбент должен содержать переходные поры
7) адсорбент должен содержать микропоры
33
2. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ (ЭКЯ)
1) если μ
р-ра
> μ
тв. фазы
за счет адсорбции, т.е. ионы
переходят из раствора в поверхностный слой (Рис.8.).
Ионы I– переходят из раствора на поверхность AgI
(правило Фаянса-Панетта), достраивают его кристаллическую решетку. Ионы I– - потенциалопределяющие, образуют внутреннюю обкладку ДЭС; К+ противоионы, образуют внешнюю обкладку ДЭС.
2) если μ
р-ра
< μ
тв. фазы
за счет поверхностной диссо-
циации, т.е. ионы из твердой фазы переходят в раствор. Ионы I– переходят в раствор за счет поверхностной диссоциации ионов кристаллической решетки и
образуют внешнюю обкладку ДЭС. Внутренняя обкладка ДЭС образована Ag+.
В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ
ЭКЯ возникают на границе раздела фаз под действием электрического поля. Причина возникновения ЭКЯ – наличие заряда / ДЭС
(двойного электрического слоя) на поверхности контактирующих фаз.
2.1 Причины возникновения заряда /ДЭС на поверхности частиц
дисперсной фазы
Химический потенциал компонента в разных фазах: μI ≠ μII
При контакте двух фаз на границе раздела происходит самопроизвольное выравнивание химических потенциалов, т.е. достигается
равновесие: μI = μII
Для ионов при равновесии фазы будут заряжены разноименно,
возникает ДЭС и равновесный потенциал между двумя фазами.
При способности веществ обмениваться заряженными частицами ДЭС образуется:
Если поверхность образована веществами, не способными обмениваться заряженными частицами, то возможен другой механизм
образования ДЭС. Происходит адсорбция недиссоциированных полярных молекул, например, воды (рис. 2.1а), и их ориентация на границе раздела фаз. ДЭС также может образовываться за счет диссоциации ионогенных поверхностно-активных веществ на твердой поверх-
34
ности, например олеата натрия на полимерных частицах латекса (рис.
а
б
Рис. 2.1. Модель образования ДЭС за счет адсорбции полярных
молекул воды (а) и олеата натрия (б)
Толщина ДЭС равна 0,3 – 0,5 нм. Распределение потенциала по Гельмгольцу носит линейный характер, и весь
скачок потенциала сосредоточен в пределах ДЭС. Эта
теория применима лишь для очень концентрированных
растворов.
Рис. 2.2. Строение ДЭС по теории Гельмгольца – Перрена, где φ – скачок потенциала; φ0 – полный термодинамический потенциал поверхности; х – координата нормальная к поверхности; d – толщина ДЭС
0
dq
0
2.1б).
2.2 Теории строения ДЭС
2.2.1 Теория Гельмгольца - Перрена (1878 г.)
ДЭС – это плоский конденсатор, состоящий из двух слоев противоположных зарядов (адсорбционный слой потенциалопределяющих ионов и адсорбционный слой противоионов), находящихся на
расстоянии одного радиуса (рис. 2.2).
Скачок потенциала рассчитывается по формуле:
, (2.1)
где q – заряд; – диэлектрическая постоянная;
константа; d – толщина ДЭС.
Недостаток теории: учитывается только электростатическое
взаимодействие ионов с поверхностью и полностью игнорирует тепловое движение. Не учитывает размеры ионов, рассматривая их как
– электрическая
35
точечные заряды, способные как угодно близко подходить к твердой
Рис. 2.3. Строение ДЭС согласно теории
Гуи-Чапмена
Слой, образованный потенциало-
пределяющими ионами адсорбционного
слоя, называют гельмгольцевским, или
плотным, слоем (его толщина 0,2 – 0,3
нм). Слой, образованный противоионами
диффузного слоя называется диффузион-
ным (размытым), или слоем Гуи.
поверхности.
Все это было учтено в теории Гуи – Чапмена.
2.2.2 Теория Гуи – Чапмена (1910 – 1913 гг. )
По этой теории распределение зарядов в ДЭС является результатом равновесия двух сил – электростатического притяжения ионов к
поверхности и их теплового движения.
Распределение ионов в зависимости от расстояния в диффузном слое аналогично распределению молекул газа в земной атмосфере
по высоте. в диффузном слое изменяется медленно по экспоненци-
альному закону.
Недостаток теории: не принимается во внимание специфическое (неэлектростатическое) взаимодействие ионов с поверхностью.
Этот недостаток был устранен в теории Штерна.
2.2.3 Теория Штерна (1924 г.)
Теория Штерна объединила две предыдущие теории, и она является основой современной теории ДЭС, которая получила свое развитие в трудах академика А.Н. Фрумкина и его школы.
ДЭС, по Штерну, состоит из трех элементов: 1 - потенциалопределяющих ионов адсорбционного слоя; 2 и 3 – противоионов адсорбционного и диффузного слоев.
Теория рассматривает два случая:
ловое движение, и все ионы находятся у поверхности, образуя плотный слой по Гельмгольцу.
1. При температуре абсолютного нуля, когда отсутствует теп-
36
2. При температуре, отличной от абсолютного нуля, часть ио-
0
0
0
0
Рис. 2.4. Строение ДЭС по теории Штерна, где
– толщина плотного слоя; д – толщина
диффузного слоя; – расстояние до границы
скольжения АВ;
0
– полный термодинами-
ческий потенциал поверхности;
– по-
тенциал в плотной части ДЭС; –
электрокинетический потенциал (дзетта - по-
тенциал); АВ – граница скольжения
нов под влиянием теплового движения переходит в диффузный слой.
Другая часть ионов, находящиеся под действием химических сил, остается у поверхности. В результате образуются два слоя: плотный
(гельмгольцовский) и диффузный (слой Гуи).
Штерн в своей теории учел, что ионы имеют вполне определенные радиусы и не могут подходить к поверхности ближе, чем на
радиус иона. Учтено также специфическое взаимодействие ионов с
поверхностью.
Толщина диффузного слоя изменяется в зависимости от условий и ее общую толщину определить невозможно. Количественно
можно определить характеристическую или эффективную толщину
(d).
Величина и знак
определяется числом и знаком потенциа-
лопределяющих ионов. Если потенциалопределяющие ионы отрицательные, то и
отрицательный. Чем больше количество зарядов на
поверхности, тем больше величина
ся линейно, в диффузной части – по экспоненте.
Электрокинетический потенциал – это потенциал, возникающий на границе скольжения (АВ). АВ проходит в диффузной части
ДЭС на расстоянии , и ее положение может меняться в зависимости
от условий. Если граница скольжения совпадает с границей плотного и
диффузного слоев, то = d . В общем случае АВ проходит несколько
дальше, следовательно, > d .
. В плотной части
изменяет-
37
Н
0
0
0
0
Строение ДЭС согласно теории Штерна приведено на рис. 2.4.
Изменение положения границы скольжения связано со скоростью
электрокинетических явлений. Чем выше скорость, тем больше величина – потенциала. При этом АВ приближается к границе плотного
и диффузного слоя, а с уменьшением скорости эта граница отодвигается от поверхности в сторону диффузного слоя.
Уравнение для расчета – потенциала называется уравнением
Гельмгольца-Смолуховского:
, (2.2)
где
– вязкость дисперсионной среды; υ – линейная скорость дви-
жения частиц дисперсной фазы; Н – напряженность электрического
поля; – диэлектрическая постоянная среды;
– электрическая
константа.
Линейная скорость движения частиц дисперсной фазы рассчитывается по уравнению
υ0 = S / τ, (2.3)
где S – путь пройденный частицей, м; τ – время перемещения частиц, с.
Напряженность электрического поля рассчитывают как отношение приложенной извне разности потенциалов Е, [В] к расстоянию
между электродами l [м]:
H = E / l. (2.4)
2.3 Влияние различных факторов на электрокинетический
потенциал
1. Влияние природы дисперсионной среды. Электрокинетиче-
ские явления характерны лишь для систем с полярными дисперсионными средами. Величина – потенциала тем выше, чем больше по-
лярность среды (жидкости), характеризуемая диэлектрической прони-
38
цаемостью и дипольным моментом, тем больше скорость электроос-
0
Рис. 2.5. Влияние температуры на строение
ДЭС
мотического переноса.
2. Влияние концентрации дисперсной фазы. При разбавлении
коллоидных систем – потенциал должен увеличиваться, так как
толщина ДЭС возрастает в результате уменьшения концентрации про-
тивоионов в растворе. В каком направлении в итоге изменится –
потенциал, определяется тем, какой из двух факторов (утолщение ДЭС
или десорбция потенциалопределяющих ионов) окажется сильнее.
3. Влияние температуры на строение ДЭС (а значит, и на –
потенциал) проявляется двояко (рис. 2.5). С одной стороны, рост Т
способствует размытию диффузной части ДЭС, что ведет к увеличению ее протяженности, и – потенциал растет. С другой стороны,
при увеличении Т происходит возрастание десорбции потенциалопределяющих ионов ДЭС, плотность заряда на частицах ДФ уменьшается,
также
и – потенциал убывают, т.е. для зависимостей = f(T)
характерны либо минимум (кривая 1), либо максимум (кривая 2).
4. Влияние рН среды сильно сказывается на величине – по-
тенциала, так как водородные Н+ и гидроксильные ионы ОН– обладают
высокой способностью адсорбироваться. Первые – благодаря малому
радиусу, вторые – из-за большого дипольного момента.
Рассмотрим диссоциацию золя Al(OH)3 при варьировании рН
среды:
1) если рН < 7 (кислая область), тогда частицы золя заряже-
ны положительно:
2) если рН > 7 (щелочная область), то частицы золя заряжены
отрицательно:
;
.
39
Рис. 2.6. Зависимость – потенциала от
ионной силы для индифферентного (1)
и неиндифферентного (2) электролитов
0
0
0
Изменение рН среды влияет только на величину электрокине-
тического потенциала, но может вызвать даже перезарядку частиц ДФ.
5. Введение электролита. Все электролиты характеризуются
ионной силой и в зависимости от природы делятся на индифферентные и неиндифферентные.
Индифферентные электролиты не способны достраивать кристаллическую решетку частицы ДФ, т.е. не имеют общего иона с потенциалопределяющим ионом. При введении такого электролита противоионы диффузного слоя переходят в адсорбционный слой, в результате диффузный слой сжимается и – потенциал убывает .
При полном переходе противоионов в адсорбционный слой
=0 (изоэлектрическое состояние). Введение индифферентных элек-
тролитов применяется для коагуляции коллоидных систем.
Неиндифферентные электролиты способны достраивать кристаллическую решетку частицы ДФ, т.е. имеют общий ион с потенциалопределяющим ионом.
При сравнительно низких значениях (участок АВ на кривой 2)
влияние электролита наиболее сильно проявляется в адсорбционном
слое потенциалопределяющих ионов ДЭС. При увеличении ионной
силы увеличивается плотность заряда на границе раздела фаз, сле-
довательно,
и – потенциал возрастают.
В области высоких (участок ВС на кривой 2) происходит
сжатие диффузного слоя, следовательно, – потенциал убывает. Таким образом, для индифферентного электролита
практически не
зависит от , а для неиндифферентного электролита с увеличением
наблюдается рост общего потенциала
2.4 Электрокинетические явления (ЭКЯ)
ЭКЯ были открыты профессором Московского университета
Ф.Ф. Рейсом в 1808г. ЭКЯ - это явления перемещения фаз дисперсной
.
40
системы в электрическом поле. К ним также относятся явления воз-
а б
Рис. 2.7. Частица дисперсной фазы со своим ДЭС: а - до наложения
электрического поля; б - после наложения электрического поля
Рис. 2.8. Состояние системы до (а) и
после (б) наложения электрического
поля, где окрашенный золь; сла-
бый раствор электролита
а б
никновения электрического поля при движении частей дисперсной
системы под действием внешних сил.
ЭКЯ делятся на прямые (электрофорез и электроосмос) и об-
ратные (потенциал седиментации и потенциал течения).
2.4.1 Прямые электрокинетические явления
Электрофорез – явление перемещения частиц дисперсной фа-
зы относительно неподвижной дисперсионной среды под действием
электрического поля.
При наложении достаточно большой разности потенциалов,
мицелла как бы разрывается и происходит движение твердой фазы с
прочно связанными ионами плотного слоя (частицы) к одному электроду, а ионов диффузного – к другому (рис.2.7).
Благодаря электрофорезу можно определить заряд коллоидной
частицы. Для этого используют U–образную трубку. Ее заполняют
исследуемой системой и боковой жидкостью (электролитом). Между
ними должна быть четкая граница раздела фаз. Накладывают электрическое поле (рис. 2.8).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]