Вопросы и задания для самоконтроля знаний по материалу 4-й лекции

1. Охарактеризуйте способы получения золей путем конденсации.

2. Какие условия необходимы для осуществления химической конденсации?

3. Что Вам известно о методе получения золей, предложенном Рогинским и Шальниковым?

4. При действии на ионы Ca²⁺,Sr²⁺иBa²⁺ионамиC₂O₄^2-иSO₄^2-в разбавленных растворах на холоде образуются плохо оседающие мелкие кристаллы, а в концентрированных растворах при нагревании образуются быстрорастущие крупные кристаллы. Объясните причину такого различия. Напишите формулы мицелл и укажите знак электрических зарядов коллоидных частиц получающихся взвесей. Какими еще способами можно ускорить выпадение осадка в этих растворах?

5. В каком порядке следует сливать растворы:

а) H₃AsO₃ и (NH₄)₂S;

б) CdCl₂ и Na₂S;

в) H₃AsO₄и (NH₄)₂S;

г) AgNO₃иKI,

чтобы получить коллоидную систему с частицами, несущими:

а) положительные электрические заряды;

б) отрицательные электрические заряды?

Напишите формулы мицелл образующихся в каждом случае золей.

6. При растворении некоторых веществ в воде происходит гидролиз, который при разбавлении раствора углубляется и приводит к образованию золя. Изобразите схематично структуру мицеллы и запишите ее формулу для следующих процессов:

а) FeCl₃ FeO⁺ + 2 H⁺ + 3 Cl^- Fe(OH)₃↓ + 3 HCl

б) Al(CH₃COO)₃ + 3 H₂O → Al(OH)₃↓ + 3 CH₃COOH

в) Sn(CH₃COO)₂ + 2 H₂O → H₂SnO₃↓ + 2 CH₃COOH

7. При нагревании воды (особенно озерной или речной) до 90-95 °С происходит интенсивное образование бурых хлопьев. Объясните это явление. Почему такое явление не наблюдается при нагревании дистиллированной воды?

8. В основе производства помадных конфетных масс лежит резкое охлаждение сиропа, а в основе сахарного производства – резкое охлаждение пересыщенного раствора сахарозы. В результате какого процесса в этих случаях происходит образование частиц дисперсной фазы?

9. Облака относятся к дисперсным системам Т,Ж/Ги представляют собой взвешенные в воздушной среде капли и кристаллы воды. Какие процессы происходят в атмосфере при образовании облаков?

10. От чего и для чего очищают коллоидные системы?

11. Что такое диализ? Изобразите схему аппарата для проведения диализа.

12. Как можно ускорить диализ?

13. Что такое ультрафильтрация и чем она отличается от диализа? Дайте определение мембраны.

14. Что общего и в чем заключается особенность таких мембранных процессов, как диализ и ультрафильтрация?

Лекция 5

«Такие свойства истинных растворов, как диффузия, осмотическое давление, изменение давления пара и температур замерзания и кипения обусловлены самопроизвольным движением молекул. Обладают ли этими свойствами коллоидные частицы, занимающие промежуточное положение между практически неподвижными крупными телами и вечно движущимися молекулами?»

П.М. Кругляков

Итак, мы рассмотрели методы получения и очистки коллоидных систем. Далее, для того, чтобы более четко представлять процессы, которые лежат в основе, например, вышеописанных мембранных процессов – диализа и ультрафильтрации, целесообразно рассмотреть молекулярно-кинетические свойства растворов, которые обусловлены хаотическим тепловым движением молекул и атомов. Законы этого самопроизвольного движения изучает молекулярно-кинетическая теория. Некоторые свойства растворов обусловлены этим движением, т. е. определяются не составом, а числом кинетических единиц – молекул в единице объема или массы. К ним относятся свойства, которые называются коллигативными: диффузия, осмотическое давление, различия в давлении пара и температур замерзания и кипения в случае чистого растворителя и раствора. Естественно возникает вопрос, обладают ли этими свойствами коллоидные частицы, занимающие промежуточное положение между неподвижными макроскопическими телами и вечно движущимися молекулами?

Ученые доказали, что коллоидные системы обладают молекулярно-кинетическими свойствами, к которым относятся диффузия, броуновское движение и осмос.

Броуновское движение– это непрерывное беспорядочное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров, не затухающие во времени. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды.

Кем было открыто броуновское движение?

Броуновское движение открыл в 1827 г английский ботаник Роберт Броун, рассматривая под микроскопом водную суспензию цветочной пыльцы. Некоторые исследователи объясняли обнаруженное явление жизнедеятельностью пыльцы, однако позднее оказалось, что броуновское движение свойственно всем суспензиям, в том числе и суспензиям неорганических веществ.

Объяснение этого явления долгое время связывали с внешними причинами – нарушением механического равновесия, температурных условий и т. д. Гуи и Экснер предположили, что оно является следствием теплового движения молекул дисперсионной среды. (Кстати, а почему молекулы находятся в постоянном движении?)Эта точка зрения была теоретически подтверждена Эйнштейном и Смолуховским, а затем доказана экспериментально Перреном, Сведбергом и другими исследователями.

В общих чертах явление броуновского движения можно представить следующим образом. Если частица мала, то число одновременно получаемых ею ударов со стороны молекул среды не слишком велико и возникает вероятность неравномерного распределения импульсов, получаемых частицей с разных сторон. Это обусловлено как разным количеством ударов, так и различной энергией молекул среды, сталкивающихся с частицей. В результате взвешенные в жидкости частицы приобретают поступательное, вращательное и колебательное движение.

Имеет ли броуновское движение направленность?

Броуновское движение совершенно хаотично, т. е. в нем наблюдается полная равноправность всех направлений.

Что является количественной характеристикой броуновского движения?

Для количественной характеристики броуновского движения используется средний сдвиг, который связан с коэффициентом диффузииуравнением Эйнштейна-Смолуховского:

,

где D– коэффициент диффузии,– время диффузии.

Статистическая теория, приводящая к этому уравнению, имеет многочисленные и неоспоримые подтверждения. Результаты, полученные для частиц различной природы и размеров, показали близкое соответствие измеренных и вычисленных величин , явились блестящим доказательством реальности существования молекул и подтвердили статистический характер второго закона термодинамики.(Какие известные ученые и для чего использовали это уравнение в своих исследованиях?)

В коллоидной химии теория броуновского движения оказалась фактически первой количественной теорией.

Какое определение можно дать процессу диффузии?

Диффузией называется самопроизвольный процесс выравнивания концентрации молекул, ионов или коллоидных частиц под влиянием их теплового движения. Процесс диффузии идет самопроизвольно, поскольку он сопровождается увеличением энтропии системы. Напомним, что равномерное распределение вещества в системе отвечает ее наиболее вероятному состоянию.

Обратим ли процесс диффузии?

Процесс диффузии является необратимым, он протекает до полного выравнивания концентрации, так как хаотическое распределение частиц отвечает максимальной энтропии системы. Возвращение системы в первоначальное состояние возможно только в результате внешних воздействий. Приведите примеры таких воздействий!

Какой закон используется для описания количественных закономерностей стационарной диффузии?

Стационарная диффузия является простейшим вариантом явления диффузии. Для нее характерно постоянство во времени градиента концентрации . Для количественного описания диффузии используетсязакон Фика, который был установлен по аналогии с законами переноса тепла и электричества:

,

где dQ– количество продиффундировавшего вещества;D– коэффициент диффузии;dc/dx– градиент концентрации;s– площадь, через которую идет диффузия;τ– продолжительность диффузии.(Как Вы думаете, почему перед правой частью уравнения стоит знак минус?)

Часто для описания диффузии используется удельный диффузионный поток– количество вещества, диффундирующее за единицу времени через сечение единичной площади:

.

Из этого уравнения ясно виден физический смысл коэффициента диффузии. (Сформулируйте его, не забыв, что речь идет о единичном градиенте концентрации.)

Приведите вывод уравнения Эйнштейна-Смолуховского.

Рассмотрим цилиндр, заполненный коллоидной системой и разделенный полупроницаемой перегородкойМN. Расстояние от стенок цилиндра слева и справа до перегородки –,ν₁,ν₂– частичная концентрация справа и слева,ν₁›ν₂.

Перенос коллоидных частиц в одну и другую сторону равновероятен. Количество вещества, перенесенное за время τчерез перегородкуМNнаправо:

.

Справа налево:

.

Количество вещества, перенесенное за время τ через поперечное сечение:

.

Выразим градиент концентрации:

, откуда.

Тогда .

По Фику: .

Приравняем: .

Откуда получим искомое уравнение Эйнштейна-Смолуховского:

.