Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы самоорганизации в растворах полиэлектролитов и ПАВ. Лабораторный практикум
.pdf
Рис. 2. Возможные формы пузырьков пены: а) сферическая;
б) полиэдрическая
Рис. 3. Каналы Плато-Гиббса
Структура полиэдрических пен описывается правилом Плато.
Три пузырька, стенки которых встречаются под углом 120° , образуют
механически устойчивую систему. При их соединении пленки, разд еляющие их, образуют трехгранный столбик жидкости, называемый
каналом Плато-Гиббса (рис .3).
Как любая дисперсная система, пена может быть получена дву-
мя способами – диспергированием и конденсацией. Под диспергиро-
ванием в данном случае понимают перемешивание и барботаж. Простым методом получения пены является встряхивание раствора, содержащего ПАВ, пропусканием через раствор большого числа пузырьков газа. Наиболее устойчивая пена получается, если струя раствора падает с определенной высоты на поверхность того же раствора,
находящегося в цилиндре. Под конденсацией подразумевается хими-
ческая или биологическая реакция, идущая с выделением газа.
71
Для разрушения пен используются определенные классы ве-
ж
жг
V
VV
V
V
ж
п
ществ, так называемые пеногасители. В настоящее время существует
широкий круг пеногасителей – кремнийорганические, полимерные и
пр. Необходимо отметить, что в лабораторной практике очень часто в
качестве пеногасителей используются низкомолекулярные спирты –
этанол и пропанол. Метанол не применяют в силу его токсичности.
Низшие спирты разрушают адсорбционную пленку основного ПАВ,
тем самым понижая его пенообразующую способность.
Количественные характеристики пенообразования
Пенообразующая способность ПАВ зависит от различных факторов: строение ПАВ (тип (ионное или неионное), длина углеводородного радикала, вид противоиона), концентрация, температура, величи-
на поверхностного натяжения, рН раствора.
Для количественной характеристики пен используется несколь-
ко параметров, основные из которых будут рассмотрены ниже.
Пенообразующая способность (вспениваемость) – это количест-
во пены (мл) или высота столба пены (мм), которые образуются из по-
стоянного объема раствора при определенных условиях (концентра-
ция, температура и т.д.) в течение данного времени. Пенообразующую
способность согласно ГОСТ определяют на приборе Росс-Майлса.
Кратность пены (β) – это отношение объема пены (V
) к объему
п
жидкости (Vж), пошедшему на ее образование:
, (1)
где Vг – об ъем газа в пене.
Стабильность (устойчивость) пены – ее способность сохранять
общий объем и дисперсный состав пузырьков. Часто в качестве меры
стабильности пены используют время существования ее отдельного
элемента – пузырька или пле нки.
Дисперсность пены – средний размер пузырька, а также распределение пузырьков по размерам.
В ряде случаев важны такие характеристики пен, как вязкость,
теплопроводность, электропроводность и их оптические свойства.
72
Порядок выполнения работы
Время
τ, мин
Концентрация ПАВ, моль/л
с
1
2
1
2
с
с
2
2
3
с
с
2
2
3
с
с
2
4
5
с
с
Vп, мл
Vп, мл
Vп, мл
Vп, мл
Vп, мл
1
2 …
Концентрация ПАВ в присутствии ПЭ, моль/л
с
1
2
1
2
с
с
2
2
3
с
с
2
2
3
с
с
2
4
5
с
с
Vп, мл
Vп, мл
Vп, мл
Vп, мл
Vп, мл
1
2
…
1. В цилиндр на 100 мл налить 10 мл водного раствора ПАВ из-
вестной концентрации с
.
1
2. С помощью пипеток на 5 мл приготовить еще 4 раствора ПАВ
в мерных цилиндрах путем последовательного разбавления вдвое.
3. Каждый раствор ПАВ в цилиндре встряхнуть в течение 30 се-
кунд и затем поставить на стол.
4. Отметить максимальный объем пены V
и включить секун-
макс
домер.
5. Зафиксировать изменение объема пены Vп во времени τ (1, 2, 3,
4, 5, 10, 15, 20 минут). Измерения проводить до тех пор, пока объем
пены не будет изменяться в течение 3-4 замеров.
6. В каждый цилиндр с раствором ПАВ добавить пипеткой 0,5
мл водного раствора полиэлектролита. Выполнить операции, описанные в пунктах 3-5. Внести все полученные данные в таблицу.
Таблица
73
7. По полученным данным построить графики:
– зависимости максимального объема образовавшейся пены V
м акс
от концентрации раствора ПАВ (без и в присутствии полиэлектроли-
та);
– изменения объема пены V
от времени τ (без и в присутствии
п
полиэлектролита);
– зависимости устойчивости пены (времени существования пены
τ) от концентрации ПАВ (без и в присутствии полиэлектролита).
8. На основании экспериментальных зависимостей сделать вы-
вод о зависимости пенообразующей и пеностабилиз ирующей способности ПАВ от концентрации раствора ПАВ и присутствия полиэлек-
тролита.
74
ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ
Тема 1. Организованные растворы ПАВ и полиэлектролитов
как наноструктурированные жидкие системы
1. В чем состоит общность свойств систем, способных к самоорганизации?
2. Что является движущей силой самоорганизации в живой и
неживой природе?
3. Какие процессы приводят к образованию супрамолекулярных
ансамблей?
4. Какие системы называют «мягкими» конденсированными системами? Приведите примеры.
5. Назовите формы самоорганизации в растворах ПАВ.
6. Назовите формы самоорганизации в растворах полимеров.
7. Назовите области применения организованных растворов
ПАВ и полимеров.
Тема 2. Самоорганизация в растворах ПАВ
1. По каким признакам классифицируют ПАВ?
2. Назовите основные типы полимерных ПАВ.
3. В чем состоит различие между низкомолекулярными и колло-
идными ПАВ?
4. Поясните понятие «гидрофильно-липофильный баланс»
(ГЛБ). Каковы принципы расчета ГЛБ?
5. Какой физический смысл имеет критический параметр упа-
ковки?
6. Объясните смысл термина «поверхностная активность». Как
определить поверхностную активность водорастворимого ПАВ?
7. Объясните принцип расчета изотермы адсорбции ПАВ на ос-
нове измерений поверхностного натяжения растворов ПАВ.
8. Дайте характеристику динамической модели процесса ад-
сорбции в теории Ленгмюра.
9. Опишите строение разряженных слоев ПАВ. Запишите урав-
нение состояния.
10. Объясните строение предельно упакованных слоев ПАВ. На-
зовите основные характеристики монослоя.
75
11. В чем заключаются особенности адсорбции ПАВ на границе
двух несмешивающихся жидкостей?
12. Назовите наиболее существенные особенности адсорбции
ПАВ на поверхности твердых тел.
13. Сформулируйте правило уравнивания полярностей Ребинде-
ра. В чем состоит его физико-химический смысл?
14. Перечислите области применения организованных моносло-
ев ПАВ. Приведите примеры.
15. Что называют критической концентрацией мицеллообразо-
вания (ККМ)? В чем заключается суть экспериментальных методов
определения ККМ?
16. Что представляет собой мицелла ПАВ? Какие мицеллы называют прямыми, а какие – обратными?
17. Как зависит ККМ от структуры и природы ПАВ (длины углеводородного радикала, природы полярной группы)?
18. Какие факторы оказывают влияние на процессы самоорганизации в растворах ПАВ?
19. Охарактеризуйте влияние температуры на ККМ. Каков физико-химический смысл точки Крафта?
20. Назовите основные структурные формы мицелл ПАВ.
21. Назовите основные количественные характеристики мицелл
ПАВ.
22. Как определить число агрегации мицелл ПАВ?
23. Объясните природу гидрофобных взаимодействий и их воз-
никновения.
24. В чем заключается явление солюбилизации?
25. Дайте определение солюбилизационной емкости м ицелл
ПАВ. Приведите уравнение для ее расчета.
26. Дайте характеристику факторам стабилизации мицелл ион-
ных ПАВ.
27. Как меняется структура мицелл с увеличением концентрации
ПАВ? В чем состоит полиморфизм мицелл?
28. Что такое жидкие кристаллы?
29. В чем состоит прикладное значение мицеллярных систем?
Назовите области применения мицеллярных систем.
30. В чем заключается сущность мицеллярного катализа?
31. В чем состоит сущность применения мицеллярных систем
для синтеза наночастиц?
76
Тема 3. Самоорганизация в растворах полимеров
1. Приведите классификацию полимеров.
2. Назовите методы определения молекулярной массы полиме-
ров и молекулярно-массового распределения.
3. Что такое гибкость полимерной цепи? От каких факторов она
зависит?
4. Назовите основные конформации макромолекул и конформационные переходы.
5. В каких состояниях могут находиться полимерные вещества?
6. Сформулируйте особенности образования растворов полиме-
ров.
7. Что такое набухание полимеров? Каковы механизмы набухания?
8. Дайте термодинамическое описание процесса растворения полимеров.
9. Какие теории растворения полимеров вы знаете?
10. Что такое приведенная и характеристическая вязкость рас-
творов полимеров. Назовите факторы, влияющие на вязкость полимеров.
11. Назовите классы водорастворимых полимеров.
12. Какие высокомолекулярные соединения относятся к полимерным электролитам? Приведите примеры.
13. Каковы особенности образования растворов полиэлектролитов?
14. Что такое полиэлектролит ное «набухание»?
15. В чем заключаются взаимосвязь конформационного и иони-
зационного состояния полиэлектролитов в растворе?
16. Что такое полиамфолит? Назовите представители природных
и синтетических полиамфолитов.
17. Каковы особенности состояния полиамфолитов в изоэлектрической точке?
18. В чем заключаются особенности противоионной ассоциации
в растворах полиэлектролитов?
19. Что такое полиэлектролитный гель? Какие факторы определяют его поведение?
77
20. Назовите направления практического использования поли-
мерных электролитов.
Тема 4. Самоорганизация в смешанных растворах полимерных
электролитов и ПАВ
1. Какова природа межмолекулярных взаимодействий полиэлектролитов с противоположно заряженными ионами ПАВ?
2. Что такое полимер–коллоидный комплекс и каков механизм
его образования?
3. Назовите факторы, от которых зависит эффективность связывания ПАВ полиэлектролитами.
4. Что такое критическая концентрация ассоциации ПАВ в при-
сутствии полимера и как она соотносится с критической концентраци-
ей мицеллообразования ПАВ?
5. Что является мерой устойчивости полимер–коллоидных комплексов?
6. Что такое кооперативное и некооперативное связывание? С
помощью каких параметров можно судить о характере связывания?
7. Опишите фазовое поведение комплексов полиэлектролит –
ПАВ.
8. Назовите методы исследования самоорганизации в с истемах
на основе полиэлектролитов и ПАВ.
9. В каких свойствах комплексов полиэлектролит – ПАВ проявляется синергетический характер?
10. Опишите поверхностные свойства комплексов полиэлектролит – ПАВ. Имеются ли особенности в их адсорбционном поведении
на межфазных границах?
11. Каков механизм солюбилизации в смешанных растворах
ПАВ и полиэлектролитов? Чем он отличается от механизма солюбили-
зирующего действия индивидуальных ПАВ?
12. Какое влияние оказывают полимер-коллоидные комплексы
на устойчивость дисперсных систем (суспензий, эмульсий, пен)?
13. Назовите области применения полимер–коллоидных комплексов.
78
Библиографический список
1. Волков, В.А. Коллоидная химия. Поверхностные явления и
дисперсные системы / В.А. Волков. – СПб. : Изд-во «Лань», 2015. -
659 с.
2. Сумм, Б.Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие для
студ. высш. учеб. заведений / Б.Д. Сумм. – 2-е изд., стер. – М. : Издательский центр «Академия», 2007. - 240 с.
3. Фридрихсберг, Д.А. Курс коллоидной химии / Д.А. Фридрихсберг. – СПб. : Изд-во «Лань», 2010. - 416 с.
4. Гельфман, М.И. Коллоидная химия / М.И. Гельфман, О.В. Ковалевич, В.П. Юстратов. – СПб. : Изд-во «Лань», 2010. - 336 с.
5. Практикум и задачник по коллоидной химии / под ред.
В.В. Назарова и А.С. Гродского. – М. : ИКЦ «Академкнига», 2007. 374 с.
6. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии / под
ред. Ю.Г. Фролова и А.С. Гродского. – М. : Химия, 1986. - 216 с.
7. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг [и др.]; пер. с англ. – М. : БИНОМ, 2007. - 528 с.
8. Ланге, К.Р. Поверхностно-активные вещества. Синтез, свойства, анализ, применение / К. Р. Ланге ; пер. с англ. – СПб. : Профессия,
2004. - 240 с.
9. Кочнев, А.М. Физикохимия полимеров / А.М. Кочнев [и др.].
– Казань : Изд-во «Фэн», 2003. - 512 с.
10. Практикум по физикохимии растворов и дисперсий полиме-
ров / С.В. Крупин [и др.]. – Казань : Изд-во Казан. технол. ун-та, 2003.
- 154 с.
11. Полиэлектролиты : метод. указания к курсу высокомолеку-
лярные соединения / сост. А.А. Собанов, Л.М. Бурнаева, Р.А. Черкасов. – Казань : Изд-во Казан. гос. ун-та, 2007. - 35 с.
12. Изучение связывания ПАВ полиэлектролитами в смешанных
растворах : метод. указания / сост. А.Я. Третьякова, А.В. Билалов. –
Казань : Изд-во Казан. технол. ун-та, 1998. - 16 с.
13. Практикум по физикохимии дисперсных систем и полимеров: учебное пособие / под ред. В.П. Барабанова и Г.Я. Вяселевой. –
Казань : Изд-во Казан. технол. ун-та, 2003. - 154 с.
79
Электронные источники информации
Подписано в печа ть 25.12.2017
Форм ат 6084 1/16
Бумага офсетная
Печать ризографическая
4,65 усл. печ. л.
5,0 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз.
Заказ
Издательство Казанс кого национа льного исс ледовательского
технологического уни верситета
Отпечатано в офсетной лаборатории Казанского национального
исследовательского технологическо го университета
420015, Казань, К. Маркса, 68
1. Научная электронная база данных издательства Elsevier,
http://www.sciencedirect.com/.
2. Научная электронная база данных издательства Springer,
http://www.springerlink.com/.
3. Электронно-библиотечная система «Лань» http://e.lanbook.
com/books/.
4. Научная электронная библиотека eLIBRARY.RU http://
elibrary.ru/defaultx.asp.
5. Российская национальная библиотека http://www.nlr.ru:
8101/poisk/.
Ответственный за выпуск доц. А. А. Коноплева
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]