Модуль 2 коллоидная химия

Коллоидная химия – это наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях. Она изучает физико-химические свойства высокодисперсных систем и растворов высокомолекулярных соединений.

Дисперсная система (ДС) – это система, в которой хотя бы одно вещество находится в диспергированном (раздробленном) состоянии. Она состоит из двух фаз – дисперсной фазы (ДФ) и дисперсионной среды. Дисперсная фаза – это то, что находится в диспергированном состоянии, а дисперсионная среда – это сплошная однородная среда, в объеме которой распределена дисперсная фаза. Обе составляющие дисперсной системы могут находиться в любом из трех агрегатных состояний: газообразном, жидком или твердом.

Выделение дисперсных систем как особых объектов исследования объясняется тем, что:

1) в данных системах высокоразвитая поверхность частиц ДФ, что является причиной появления в ДС избыточной свободной поверхностной энергии (ΔG_s) и связанной с ним различных поверхностных явлений;

2) в ДС возникают размерные (масштабные) эффекты, которые проявляются в виде значительного отличия реакционной способности, прочности, электрических и магнитных свойств, теплоемкости, температуры плавления и других свойств частиц ДФ от подобных свойств макроскопических тел.

2.1 Поверхностные явления

2.1.1 Поверхностная энергия дисперсных систем

С увеличением дисперсности вещества резко возрастает его удельная поверхность.

Частицы ДФ и дисперсионная среда относятся к разным фазам, в которых силы межмолекулярного притяжения различны. Интенсивность межмолекулярных сил возрастает при переходе от газов к жидкостям и от жидкостей к твердым телам. Способность совершать работу единицей площади поверхности одной фазы путем образования межмолекулярных связей с компонентами другой фазы называется удельной свободной поверхностной энергией или поверхностным натяжением (). Следовательно, если одна из взаимодействующих фаз является твердой или жидкой, а другая фаза - газовой, то силами межмолекулярного взаимодействия в газовой фазе можно пренебречь. Тогда σ характеризует только интенсивность межмолекулярных взаимодействий в твердой или жидкой фазе.

На величину σ влияют различные факторы:

1. Химическая природа вещества;

2. Температура;

3. Природа граничащих фаз;

4. Кривизна поверхности жидкости;

5. Наличие примесей;

6. Заряд поверхности.

Таким образом, поверхностный слой границы раздела фаз может подвергаться влиянию изменения температуры, давления, площади, состава и заряда, что приведет к изменению значения свободной поверхностной энергии. Влияние всех этих факторов на величину ΔG_s учитывает объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики:

(1)

где S– энтропия; Т – температура; V – объем; р – давление; σ – удельная свободная поверхностная энергия; s – площадь поверхности; μ_i – химический потенциал i-го компонента; n_i- число молей i-го компонента; φ – удельный электрический потенциал поверхности; q–заряд единицы поверхности.

Из уравнения 1 следует, что

(2)

то есть при постоянстве температуры, давления, величины заряда поверхности и число молей адсорбированного вещества поверхностное натяжение представляет собой удельную свободную поверхностную энергию. Поэтому при соблюдении приведенных условий изменение общей свободной поверхностной энергии системы определяется соотношением

ΔG_s = σ·Δs(3)

где ΔG_s - изменение свободной поверхностной энергии в поверхностных явлениях; σ – поверхностное натяжение на границе раздела фаз; Δs–изменение площади поверхности фаз.

Таким образом, поверхностные явления могут происходить как за счет изменения σ, так и путем изменения площади поверхности раздела фаз Δs.