Вопросы для самоконтроля

1. Почему суспензии и эмульсии являются термодинамически неустойчивыми системами?

2. Какие факторы влияют на стабильность эмульсий? Поясните механизм стабилизации эмульсий с помощью ПАВ.

3. Какие способы получения суспензий и эмульсий вы знаете?

4. Что такое обращение фаз эмульсий?

5. Приведите примеры эмульсий типа м/в и в/м.

6. Вычислите количество шариков жира в 400 г козьего молока жирностью 5% и найдите их общую и удельную поверхности, если диаметр отдельного шарика равен 3·10^-6 м, а плотность жира составляет 930 кг/м³.

7. Размер шариков масла в майонезе при ручном взбивании составляет 2·10^-5, а при машинном 4·10^-6. Сравните удельные поверхности частиц.

Лабораторная работа № 6 Седиментационный анализ суспензий и порошков

Цель работы – научиться работать с торсионными весами, исследовать кинетику седиментации суспензии глины методом непрерывного взвешивания осадка и определить размер частиц.

Теоретическая часть

Седиментационный анализ состоит в экспериментальном получении кри­вой седиментации, т. е. зависимости массы осадка m дисперсной фазы от времени осаждения τ.

Если сферическую частицу, радиус которой r и плот­ность , поместить в жидкость, плотность которой равна, а вязкость, на нее будет действовать сила тяжести (седиментация):

(1)

где V  объем частицы, равный 4/3 πr³; g  ускорение свободного падения.

Как только частица станет оседать, возникнет противодействующая сила  сила трения F_тр :

, (2) где В  коэффициент трения; U  скорость оседания.

Вначале частица движется ускоренно, так как при малых скоростях сила тяжести превышает силу трения. По мере увеличения скорости движения сила трения воз­растает и в некоторый момент достигается равенство F_сед = F_тр, при котором частицы начинают двигаться с по­стоянной скоростью. Время, которое для этого требуется, пренебрежимо мало. Исходя из приведенных выше уравнений:

. (3)

В соответствии с законом Стокса, B = 6r и учитывая, что V = 4/Зr³, получим

. (4)

Таким образом, скорость седиментации прямо пропорциональна квадрату радиуса частицы. Следовательно, частицы разных размеров оседают с разными скоростями: чем больше частица, тем больше скорость ее оседания. Если экспериментально определить скорость оседания, можно легко рассчитать радиус частицы

r = . (5)

Так как величины g, ,  и ₀ характеризуют систему и от дисперсности не зависят, можно записать

r = K (6)

Это уравнение справедливо только для условий, при которых выполняется закон Стокса, а именно:

1. частицы имеют сферическую форму;

2. движутся ламинарно, независимо друг от друга и с постоянной скоростью;

3. трение является внутренним для дисперсионной среды.

Эти условия выполняются только для систем, в кото­рых размеры частиц лежат в пределах 10^-5…10^-2 см.

На седиментацию отдельной частицы не должны влиять соседние частицы. Чтобы избежать взаимного влияния частиц, необходимо проводить седиментацию в достаточно разбавленных суспензиях (с концентрацией не выше 1 %). Однако, чем более разбавленная суспензия, тем меньше масса осадка и тем больше ошибка измерения. Таким образом, в седиментационном анализе используют суспензии, размеры частиц в которых лежат в пределах от 10^-5 до 10^-2 см, а концентрация составляет 0,5…0,6%.

Если суспензия монодисперсна (r = const), частицы оседают с одинаковой скоростью. Поэтому граница осветления будет четкой и определить скорость оседания можно по скорости движения этой границы

U_сед = , (9)

где h — высота, на которую опустилась граница за время τ.

Тогда радиус частиц можно рассчитать по формуле:

r = K (10)

где

K =

Все реальные порошки полидисперсны и поэтому оседают с различными скоростями. Четкой границы осветления суспензии не наблюдается — крупные частицы осаждаются быстрее, мелкие  медленнее. Поэтому кривая седиментации полидисперсной системы имеет вид параболы. Тангенсы углов наклона  касательных к кривой седиментации определяют скорости седиментации соответствующих фракций частиц (рисунок 6.1). Зная скорости оседания частиц отдельных фракций, можно рассчитать их радиусы. Так как большинство реальных порошков имеют частицы непра­вильной формы, по уравнению (6) можно рассчитать только эквивалентный радиус частиц сферической формы, оседающих с такой же скоростью, что и реальные частицы. Для построения кривой седиментации обычно используются торсионные весы. С их помощью определяют массу частиц, оседаю­щих на чашечку весов, п

Рисунок 6. 1  Кривая седиментации поли­дисперсной системы

омещенную в стеклянный ци­линдр с исследуемой суспензией на расстояниеh от поверх­ности жидкости. Отмечают показания весов с интервала­ми времени 30 с, а затем их увеличивают до 1 мин, 3 мин, 5 мин по мере того как изменение массы замедляется. Эксперимент заканчивается в тот момент, когда показания весов не изменяются в течение 15…20 мин.

Абсолютные массы осадка в разные момен­ты времени будут зависеть от исходной массы, поэтому рас­считывают относительные мас­сы в процентах от исходной массы (Q_i, %) в соответствующие мо­менты времени.

Строят седиментационную кривую Q_i = f (τ) (рисунок 6.2 ).

Рисунок 6.2  График седиментации полидисперсной системы (суспензия глины, мела)

Из графика видно, что чем дольше идет осаждение, тем меньше прирост

массы осадка. В начальный момент времени частицы разных размеров

равномерно распреде­лены в жидкости (перед началом эксперимента суспензия тщательно перемешивается). Чем крупнее частица, тем быстрее она оседает, но мелкие частицы, находящиеся вблизи чашечки весов, осядут скорее, чем крупные, нахо­дящиеся у поверхности жидкости, т. е. на расстоянии h от чашечки весов. В результате на чашечке весов будут соби­раться частицы всех размеров. Поэтому кривая седимен­тации всегда начинается с прямолинейной зависимости и выходит из начала координат. Однако через некоторое время τ_min, нужное, чтобы са­мые крупные частицы прошли расстояние h, этих частиц в суспензии не останется. Поэтому в дальнейшем прирост массы осадка уменьшится — линия станет кривой, выпуклой к оси ординат. Время τ_min дает возможность рас­считать радиус самой крупной частицы

r_max = K . (11)

В дальнейшем скорость накопления осадка будет умень­шаться, график будет оставаться криволинейным вплоть до установления постоянной массы осадка.

Теперь мы можем рассчитать радиус самой мелкой частицы

r_min = K_{. (12)}

Практическая часть

Из исходной суспензии приготовьте рабочую суспензию. Необходимый объем исход­ной суспензии рассчитайте по формуле:

V₀ =

где C₁  содержание сухого вещества в 1 дм³ рабочей сус­пензии, принимают равным 20 мг/дм³; V₁  объем рабо­чей суспензии, принимают равным 2 дм³; C₀  содержа­ние сухого вещества в 1 дм³ исходной суспензии (С₀ > 50 мг/дм³).

Исходную суспензию тщательно перемешайте, налейте рассчитанный объем в стакан и разбавьте дистиллированной водой до 2 дм³.

Cус­пензию в стакане тщательно перемешайте в течение 3 мин и поставьте в седиментометр. Затем в перемешанную суспензию (твердые частицы в ней равно­мерно распределены по объему жидкости) сразу опустите чашечку седиментометра на глубину 10 см (h = 10 см).

В момент начала движения отсчетной шкалы под дей­ствием оседающих частиц включите секундомер и запишите начальное положение шкалы седиментометра. Дальнейшую запись показаний прибора проведите в следующие моменты времени: 30 с; 1;1,5; 2; 2,5; 3,0; 4; 4,5; 5,0; 7,5; 10,0; 12,5; 15; 20; 25; 30 мин. Данные анализа запишите в таблицу 6.1. По окончании опыта стакан с сус­пензией достаньте, чашечку весов промойте водой.

Таблица 6.1  Экспериментальные данные седиментационного анализа

№	Время оседания частиц от начала опыта, мин	Показания шкалы седиментометра	Масса осад­ка m, мг	Относительная масса осадка Q, %
…	…

Обработка результатов эксперимента

1. Относитель­ную массу осадка Q в данный момент времени рассчитайте по формуле:

Q = _,

где т  масса осадка на чашечке весов в данный момент времени; m_max  максимальная масса осадка на чашечкевесов, она равна массе всех частиц, которые находятся в столбе жидкости над чашечкой весов.

Q_max= S ∙ h ∙ c ∙ _,

где S  площадь чашечки весов, см²; h  высота слоя сус­пензии над чашечкой, см (h = 10 см); с  содержание сухого вещества в рабочей суспензии, мг/дм³,  плотность дисперсионной среды, _воды = 1,000 г/см³, или 1,00.10³ кг/м³;  плотность частиц дис­персной фазы, _глины = 2,54.10³ кг/м³.

2. По результатам анализа постройте кривую седиментации в координатах Q % = f (t). Кривая, выражающая зависимость должна быть плавной. Линия графика зависимости должна проходить насколько возможно близко к экспериментальным точкам, однако не обязательно через каждую из них; число точек по обе стороны линии должно быть приблизительно одинаковым.

3. Определите мак­симальный r_max и минимальный r_min радиусы частиц сус­пензии по кривой седиментации и уравнениям (11) и (12). В уравнения подставьте значение времени τ в с, высоты слоя суспензии h в см; вязкость воды примите равной 1∙10^-3 Па∙с, радиусы частиц суспензии выразите в метрах.