УПП Коллоидная химия 260800.62

УДК 541.1 ББК 24.5 М 15

Рецензенты:

Роева Н.Н., Шарипова С.Г., Воронич С.С., Иванова Е.И. Коллоидная химия. Учебное пособие. М.: МГУПП, 2013 - 79 с.

Учебное пособие разработано в соответствии с государственным стандартом для подготовки бакалавров по специальности 260800.62 - «Технология продукции и организация общественного питания» В нем рассмотрены теоретические и прикладные основы коллоидной химии: молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем, поверхностное натяжение и поверхностные явления, электрокинетические свойства. Теоретический материал подкреплен примерами задач.

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемое учебное пособие посвящено описанию физико-химических и технологических свойств дисперсных многокомпонентных гетерогенных систем, в которых основной компонент представлен мельчайшими частицами размером 10-9 – 10-4 м. Такие системы обладают специфическими свойствами, с которыми постоянно приходится встречаться в химико-технологической практике.

При изучении теоретического материала необходимо учитывать, что курс

«Поверхностные явления и дисперсные системы» не отражает самостоятельное научное направление, а является составной частью физической химии как науки о химических и физико-химических процессах.

Современная коллоидная химия является фундаментальной наукой и рассматривается не только как общеобразовательная дисциплина, но и как теоретическая база многих специальных дисциплин: биофизики, биотехнологии, технологий получения различных продуктов, препаратов, лекарств и т.д.

Технологии практически всех производств в значительной мере являются технологиями дисперсных систем и базируются на присущих им коллоидно-химических закономерностях.

Настоящее учебное пособие состоит из десяти тем, каждая из которых содержит краткое изложение теории по рассматриваемому вопросу, методические указания по его усвоению, вопросы для контрольного задания.

1.Введение ………………………………………………………………………………………6

2.Тема 1. Поверхностные явления и дисперсные системы (ПЯДС) ………………………...7

Раздел 1.1. Коллоидная химия. Основы теории ………………………………………………...7

Раздел 1.2. Дисперсность материалов …………………………………………………………...8

Раздел 1.3. Классификация дисперсных систем ………………………………………………...9 Раздел 1.4. Удельная поверхность удельной фазы …………………………………………….11

Контрольные вопросы по Теме 1 ……………………………………………………………….12

3. Тема 2. Поверхностное натяжение и поверхностные явления …………………………....13

Раздел 2.1. Физикохимия поверхностных явлений ……………………………………………13

Раздел 2.2. Поверхностное натяжение ………………………………………………………….13

Раздел 2.3. Факторы, влияющие на поверхностное натяжение ………………………………14

Раздел 2.4. Методы определения поверхностного натяжения ………………………………..16 Раздел 2.5. Силы межмолекулярного взаимодействия ………………………………………..17

Контрольные вопросы по Теме 2 ……………………………………………………………….18

4. Тема 3. Адсорбция ……………………………………………………………………………19

Раздел 3.1. Основные понятия и определения ……………………………………………….....19 Раздел 3.2. Изотерма адсорбции на твердой поверхности ……………………………………..19 Раздел 3.3. Адсорбция из жидких растворов на твердых адсорбентах ………………………..24 Раздел 3.4. Изотерма молекулярной адсорбции из жидких растворов ………………………..27 Раздел 3.5. Основные закономерности адсорбции из жидких растворов на твердых адсорбентах ………………………………………………………………………………………..29

Раздел 3.6. Адсорбция в растворах электролитах (ионная адсорбция) ………………………..30 Раздел 3.7. Адсорбция на поверхности раздела фаз: жидкость – газ и жидкость – жидкость.32

Контрольные вопросы по Теме 3 ………………………………………………………………..33

5. Тема 4. Абсорбция и адгезия …………………………………………………………………34

Раздел 4.1. Абсорбция. Основные понятия и определения ……………………………...……34 Раздел 4.2. Адгезия. Основные понятия и определения …………………………………...…..35 Контрольные вопросы по Теме 4 …………………………………………………………….. ...37

6. Тема 5. Электрокинетические свойства коллоидных систем …………………………...…38

Раздел 5.1. Двойной электрический слой. Строение мицелл ………………………………….38

Раздел 5.2. Электрофорез (катафорез) и электроосмос ………………………………………...40

Контрольные вопросы по Теме 5 ………………………………………………………………..41

7. Тема 6. Получение и разрушение коллоидных систем …………………………………….42

Раздел 6.1. Устойчивость и коагуляция золей ………………………………………………….42

Контрольные вопросы по Теме 6 ………………………………………………………………..50

8. Тема 7. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем ……………………….51

Раздел 7.1. Кинетика движения ультрадисперсных частиц в дисперсионных средах ……….51

Раздел 7.2. Броуновское движение ………………………………………………………………52

Раздел 7.3. Диффузионное-седиментационное равновесие ……………………………………53

Раздел 7.4. Осмос. Осмотическое давление дисперсных систем ……………………………...55

Контрольные вопросы по Теме 7 ………………………………………………………………...56

9. Тема 8. Оптические свойства коллоидных систем ………………………………………….57

Раздел 8.1. Поглощение света ……………………………………………………………………57

Раздел 8.2. Рассеивание света ……………………………………………………………………58

Контрольные вопросы по Теме 8 ………………………………………………………………...59

10. Тема 9. Реологические свойства дисперсных систем ………………………………………60

Раздел 9.1. Коагуляционно-структурированные системы ……………………………………...60 Раздел 9.2. Физико-химическая механика дисперсных структур твердых материалов ……...61 Раздел 9.3. Вязкость газообразных и жидкофазных систем ……………………………………61

Контрольные вопросы по Теме 9 ………………………………………………………………...70

11. Тема 10. Отдельные представители коллоидных систем …………………………………..71

Раздел 10.1. Аэрозоли и аэрогели ………………………………………………………………..71 Раздел 10.2. Пены …………………………………………………………………………………72

Раздел 10.3. Эмульсии …………………………………………………………………………....72 Раздел 10.4. Суспензии …………………………………………………………………………...73 Раздел 10.5. Твердые золи ………………………………………………………………………..74

Раздел 10.6. Коллоидные поверхностно-активные вещества ………………………………….74

Раздел 10.7. Растворы высокомолекулярных веществ …………………………………………76

Контрольные вопросы по Теме 10 ………………………………………………………………78

ТЕМА 1. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

Раздел 1.1. Коллоидная химия. Основы теории

Коллоидная химия (КХ) – это крупная область химической науки, изучающая свойства веществ в дисперсном состоянии и поверхностные явления в дисперсных системах,

получившая свое название от древнегреческого слова «κόλλα», что в переводе означает клей.

Первыми объектами изучения КХ еще в XIX веке стали растворы высокомолекулярных соединений – гуммиарабики, желатина, крахмала и др., углубленное исследование состава и свойств которых привело ученых к следующим выводам:

коллоидное состояние веществ характеризуется образованием гетерогенной дисперсной структуры, которая и придает этому состоянию специфические химические и физико-химические свойства, принципиально отличные от свойств всех других систем;

коллоидное состояние может быть достигнуто не только для высокомолекулярных полимерных веществ, как предполагали вначале, но и для материалов любого химического состава, как растворимых, так и нерастворимых в дисперсной среде;

коллоидные системы являются термодинамически неравновесными системами, не подчиняющимися правилу фаз Гиббса. Их устойчивость определяется специфической структурой коллоидных систем.

Для объектов коллоидной химии характерны два общих признака: гетерогенность и дисперсность. Эти признаки были выделены одним из основоположников отечественной КХ Н.П.Песковым еще в начале 30-х годов.

Гетерогенность, или многофазность, выступает в коллоидной химии как признак,

указывающий на наличие межфазной поверхности, так называемого поверхностного слоя – основного объекта изучения науки. КХ концентрирует внимание в первую очередь на процессах и явлениях, происходящих на межфазных границах, в пограничных слоях.

Поверхностные явления – процессы, происходящие на границе раздела фаз, в

межфазном поверхностном слое, и возникающие в результете взаимодействия контактирующих фаз, имеющих различный состав и строение.

Понятие «поверхность» в коллоидной химии отлично от геометрического и представляет собой граничную область между фазами, конечный по толщине слой, в

котором происходит изменение свойств от значений, характерных для одной фазы, до значений, характерных для другой.

Поверхностные явления присущи всем системам, имеющим поверхность раздела фаз,

но сильнее всего они проявляются в дисперсных системах, которые являются гетерогенными и имеют высокоразвитую поверхность.

Второй признак объектов коллоидной науки – дисперсность (раздробленность). Она определяется размерами тела по трем его измерениям. Дисперсии веществ могут иметь самую различную форму: сферическую, цилиндрическую, прямоугольную, а чаще неправильную.

Для наглядности рассмотрим рисунок I.1. Здесь показано образование дисперсий при уменьшении размеров куба по трем его осям. При уменьшении размера в одном направлении

(по оси У) получается пленка или поверхностный слой (мембранa). При уменьшении размеров куба в 2-х направлениях (по оси Х и У) получаются нити, или капилляры, а

уменьшении его размеров по всем трем измерениям (по оси Х, У, Z) приводят к образованию мелких частиц.

Рис. I.1. Образование дисперсий при уменьшении размеров куба.

При этом раздробленность определяется размером тела по той оси, уменьшением размера по которой__

Физикохимия дисперсных систем как одно из весьма важных научных направлений среди совокупности химических наук исследует особенности поведения и термодинамические свойства так называемых колодных и других дисперсных систем. Эти системы представляют собой тонко раздробленный материал заданного состава, равномерно распределенный в объеме другого вещества. Раздробленный материал называется дисперсной фазой, а вещество, в которой он распределен, - дисперсной средой.

Совокупность дисперсной фазы и дисперсной среды называется дисперсной системой.

Таким образом, дисперсное состояние вещества – это специфическое состояние гетерогенных систем, а для ПЯДС – это одно из направлений физической химии.

Раздел 1.2. Дисперсность

Дисперсность – это раздробленность материала до уровня мелких частиц. В зависимости от среднего размера частиц раздробленного материала различают следующие степени его дисперсности:

-наночастицы размерами 10-9 – 10-7 м;

-ультрамикродисперсные частицы (коллоидные частицы) размером 10-7 – 10-5 м;

-микрогетерогенные частицы размером 10-5 – 10-3 м;

- грубодисперсные частицы величиной ≥10-3 м.

Совокупность дисперсных частиц образует дисперсную фазу.

Из этой классификации дисперсности раздробленных материалов следует, что коллоидная химия является лишь частью более широкого научного направления исследования дисперсных систем. Длительное время именно коллоидным системам уделялось основное внимание, поскольку, во-первых, огромное количество природных материалов и синтетических продуктов химической промышленности представляет собой именно коллоидные растворы, а во-вторых, коллоидные растворы по своим свойствам и поведению в химико-технологических процессах существенным образом отличается от поведения истинных растворов и механических смесей компонентов. Лишь в последнее время наука приступила к детальному изучению других дисперсий:

-наночастиц и нанотехнологий

-грубодисперсных материалов (катализаторов, сорбентов, гранулированных удобрений,

окатышей, бетонов).

Раздел 1.3. Классификация дисперсных систем

Классификация дисперсных систем в зависимости от размера частиц ДФ

представлена в табл.1.

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы

(ДФ) и дисперсионной среды (ДС). Всего возможны девять комбинаций ДФ и ДС в различных их агрегатных состояниях. Однако системы Г/Г обычно не фигурируют в классификации вследствие неограниченной взаимной растворимости газов (см. табл.2).

Таблица 2

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию ДФ и ДС

Классификация дисперсных систем по характеру взаимодействия ДФ и ДС. В

зависимости от интенсивности межмолекулярного притяжения между частицами ДФ и ДС дисперсные системы подразделяют на лиофильные и лиофобные.

Согласно современной теории, разработанной академиком П. А. Ребиндером и учеными его школы, различие лиофобных и лиофильных дисперсных систем определяется величиной свободной межфазной энергии ζ1,2 на границе фаз «частица-среда». Эта величина может быть больше или меньше некоторой граничной величины ζm, определяющей среднюю кинетическую энергию теплового движения частиц. Условие существования лиофобной дисперсной системы, которая не может быть получена самопроизвольным растворением,

характеризуется соотношением ζ1,2>>ζm, а лиофильной (двухфазной, но термодинамически устойчивой и образующейся самопроизвольно) – ζ1,2<<ζm.

Лиофобные системы (например, золи и суспензии металлов, оксидов, солей,

природных материалов, гидродисперсии полимеров, латексы, эмульсии с водной и органической дисперсионной средой и др.) являются термодинамически неравновесными,

так как в них протекают процессы агрегации частиц, обусловленные избытком свободной поверхностной энергии. Лиофильные системы (например, мыло, некоторые виды природных глинистых материалов и др.), в отличие от лиофобных систем, характеризуются достаточно сильным взаимодействием частиц ДФ с ДС с образованием гидратных и сольватных оболочек. Эти системы достаточно устойчивы, ДФ в таких средах может подвергаться самопроизвольному диспергированию.

Классификация дисперсных систем по степени межмолекулярного

взаимодействия частиц ДФ. В зависимости от интенсивности межмолекулярного взаимодействия частиц ДФ коллоидные системы подразделяют на дисперсионно-свободные и дисперсионно-связные.

Дисперсионно-свободные системы обычно находятся в жидком состоянии с большей или меньшей термодинамической устойчивостью. Каждая частица свободно диффундирует в объеме жидкого растворителя (это – коллоидные растворы, называемые золями, а также эмульсии и суспензии). При столкновении друг с другом частицы эмульсии и суспензий могут образовывать крупные агломераты, которые оседают на дно в виде осадка.

Дисперсионно-связные системы – это системы, в которых одна из фаз структурно закреплена и не может свободно перемещаться. Частицы образуют сплошной