Коллоидная химия – это наука о физико-химических свойствах дисперсных систем и поверхностных явлениях.

Дисперсная система (ДС) – это система, в которой хотя бы одно вещество в более или менее раздробленном (диспергированном) состоянии равномерно распределено в массе другого вещества. ДС гетерогенна, она состоит как минимум из двух фаз. Раздробленную фазу называют дисперсной фазой. Сплошную среду, в которой раздроблена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой. Характерным свойством ДС является наличие большой межфазной поверхности. В связи с этим определяющими являются свойства поверхности, а не частиц в целом. Для ДС характерны процессы, протекающие на поверхности, а не внутри фазы.

Поверхностные явления и адсорбция

Поверхностные явления ─ это явления, протекающие на поверхности раздела фаз дисперсных систем. К ним относятся: поверхностное натяжение, смачивание, адсорбция и др. На поверхностных явлениях основаны важнейшие технические процессы: очистка воздуха и сточных вод от вредных примесей, обогащение руд полезных ископаемых (флотация), сварка металлов, чистка, смазка, окрашивание различных поверхностей и многие другие.

Поверхностное натяжение

Любая поверхность раздела фаз имеет особые свойства, отличающиеся от свойств внутренних частей граничащих фаз. Это обусловлено тем, что поверхностные слои обладают избытком свободной энергии. Рассмотрим систему, состоящую из жидкости и газа (рис.1).

На молекулу А , находящуюся внутри жидкости, действуют силы взаимного притяжения со стороны всех окружающих ее соседних молекул. Равнодействующая этих сил равна нулю. Для молекулы В , находящейся на поверхности жидкости, будут скомпенсированы не все силы молекулярного притяжения. Это вызвано тем, что в газе молекулы удалены друг от друга на большие расстояния, силы притяжения между ними ничтожны. Следовательно, молекулы В испытывают притяжение только со стороны жидкости. Для них равнодействующая сил молекулярного притяжения не равна нулю и направлена вглубь жидкой фазы. Эту силу называют внутренним давлением. Такое давление стремится затянуть все молекулы с поверхности вглубь жидкости. Под действием этого давления жидкость сжимается и ведет себя так, как будто у нее есть «кожа». Чем сильнее различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше внутреннее давление.

Для того чтобы создать новую поверхность раздела фаз, например, растянуть жидкость в пленку, надо затратить работу против сил внутреннего давления. Чем больше внутреннее давление, тем большую энергию требуется затратить. Эта энергия сосредоточивается в молекулах, находящихся на поверхности, и называется свободной поверхностной энергией.

Работу, затраченную на образование 1см 2 поверхности раздела фаз, или эквивалентную ей свободную поверхностную энергию, называют поверхностным натяжением и обозначают , Дж/м 2 . Тогда запас свободной энергии, (F s) cконцентрированной на поверхности раздела фаз (S) равен: F s = S. Следовательно, чем меньше размер частиц, тем больше поверхность S, и тем большим запасом свободной поверхностной энергии обладает данная дисперсная система по сравнению с обычными массивными телами.

Из термодинамики известно, что условием устойчивого равновесия системы является минимум свободной энергии. В связи с этим, дисперсные системы термодинамически неустойчивы: в них самопроизвольно протекают процессы , связанные с уменьшением поверхности раздела фаз за счет укрупнения частиц. Очевидно, что состоянию равновесия отвечает расслоение системы (например, эмульсия разделяется на две жидкости, а суспензия ─ на жидкость и осадок). Кроме того, так как величина   стремится к минимуму, жидкость в свободном состоянии принимает форму сферы, (капли жидкости). Это объясняется тем, что поверхность шара является минимальной для данного объема вещества.

Минимум величины F s , то есть состояние равновесия системы, может быть достигнуто также за счет стремления к минимуму величины  . Таким образом, самопроизвольными в дисперсных системах являются также процессы, связанные с уменьшением величины поверхностного натяжения. Для твердых тел , которые не могут изменять свою форму также легко, как жидкости, свободная поверхностная энергия F s может уменьшаться только одним путем ─ за счет уменьшения величины поверхностного натяжения . Это происходит так: молекулы, лежащие в поверхностном слое, способны притягивать и иногда очень прочно удерживать другие молекулы из среды, окружающей твердое тело. Это явление носит название сорбции.

На величину поверхностного натяжения оказывают влияние:

1. Природа вещества . Величина определяется строением конденсированной фазы, то есть природой сил, действующих между частицами. Чем больше полярность химических связей в веществе, тем более высокие величины   характерны для этого вещества. Среди жидкостей (на границе с воздухом) наибольшую величину имеет вода. Еще более высокие величины  наблюдают в расплавах ионных кристаллов и в твердых металлах.

2.Температура. При повышении температуры величина  уменьшается, так как тепловое движение частиц при нагревании ослабляет действие межчастичных сил в веществе.

3.Концентрации вводимых добавок. Величина  зависит от концентрации веществ, растворенных в исследуемой жидкости. Различают два вида веществ. Поверхностно ─ инактивные вещества (ПИВ) , повышающие поверхностное натяжение раствора по сравнению с чистым растворителем. К ним относятся большинство сильных электролитов.

Поверхностно − активные вещества (ПАВ), сильно понижающие поверхностное натяжение образовавшегося раствора. С увеличением концентрации ПАВ в растворе величина  резко уменьшается, так как вещество концентрируется (сорбируется) в поверхностном слое раствора, а не распределяется равномерно в объеме раствора. В водных растворах поверхностную активность проявляют полярные органические соединения ─ спирты, кислоты, соли и др. В молекулы таких соединений одновременно входят и полярные группы (О, ОН, СООН, NH 2) и неполярная углеводородная цепь. Схематично молекулу ПАВ условно обозначают так: «О────». Типичным примером ПАВ является натриевая соль стеариновой кислоты С 17 Н 35 СООNа (твердое мыло).

С. В. Егоров, Е. С. Оробейко, Е. С. Мухачева

Коллоидальная химия, шпаргалка

1. Возникновение и основные этапы развития коллоидной химии. Предмет и объекты исследований коллоидной химии

Возникновение науки коллоидной химии связано с исследованиями английского химика Т. Грэма . После пионерских исследований М. Фарадея (1857 г.), когда впервые были получены устойчивые коллоидные растворы высокодисперсного золота, в 1861 г. Грэм изучал диффузию разных веществ в водных растворах и обнаружил, что некоторые из них (желатин, агар-агар и т. п.) диффундируют в воде намного медленнее, чем, например, соли и кислоты. Также эти вещества при пересыщении растворов не кристаллизовались, а формировали студнеобразную, клейкую массу. Эти вещества Т. Грэм назвал коллоидами (от греч. kolla – «клей», eidos – «вид»). Так появилось название науки – «коллоидная химия» . Т. Грэм выдвинул гипотезу о существовании в природе двух противоположных классов химических веществ – кристаллоидов и коллоидов. Эта идея заинтересовала многих ученых, и во второй половине XIX в. началось бурное развитие коллоидной химии. В России в это время коллоидной химии также уделялось большое внимание, во многом под влиянием Д. И. Менделеева . Исследования температурной зависимости поверхностного натяжения органических жидкостей (1861 г.) привели Менделеева к открытию понятия критической температуры веществ. Менделеев высказал также идею о связи между поверхностным натяжением и другими свойствами вещества. В эти годы были открыты многие вещества с коллоидными свойствами, разработаны различные методы очистки и стабилизации коллоидов, созданы методы их исследования. По мере открытия новых коллоидов на смену гипотезе Т. Грэма в первой половине XX в. пришла концепция универсальности коллоидного (дисперсного) состояния вещества: «Коллоидное состояние не является обусловленным особенностями состава вещества. При определенных условиях каждое вещество может находиться в коллоидном состоянии». Эту концепцию сформулировал профессор Санкт-Петербургского горного института П. П. Веймарн в 1906–1910 гг . Он показал, что типичные коллоиды (например, желатин) можно выделить в кристаллическом виде и, напротив, из кристаллоидных веществ можно приготовить коллоидный раствор (например, поваренной соли в бензоле). Произошло смещение приоритетов коллоидной химии. Главным направлением стало изучение дисперсного (коллоидного) состояния веществ. Примерно к 1920-м гг. фундаментальные проблемы коллоидной химии условно разделили на три группы: состав, строение и свойства коллоидных частиц; взаимодействие частиц с дисперсной средой; контактные взаимодействия частиц друг с другом, приводящие к образованию коллоидных структур. В этот период были открыты основные законы коллоидной химии – закон броуновского движения и диффузии коллоидных частиц (А. Эйнштейн) , гетерогенной природы коллоидных растворов (Р. Зигмонди) , седиментационно-диффузионного равновесия дисперсий в поле силы тяжести (Ж. Перрен) и в центрифуге (Т. Сведберг) , светорассеяния (Дж. Рэлей) , коагуляции золей электролитами (Г. Шульце и В. Гарди) . Появление во второй половине XX в. высокоразрешающих методов изучения строения веществ (ЯМР, электронной и атомно силовой микроскопии, компьютерного моделирования, фотон-корреляционной спектроскопии и др.) позволило перейти к систематическому исследованию строения и свойств коллоидных систем. Современное определение данной науки гласит: коллоидная химия – это учение о свойствах и превращениях веществ в дисперсном и ультрадисперсном состояниях и поверхностных явлениях в дисперсных системах. Объекты исследования коллоидной химии имеют высокоразвитую поверхность и представляют собой различные золи, суспензии, эмульсии, пены, поверхностные пленки, мембраны и пористые тела, наноструктурированные системы (нанотрубки, пленки Ленгмюра-Блоджетт, гибридные органо-неорганические композиционные материалы, нанокомпозиты).

2. Основные особенности дисперсных систем. Особенности ультрамикрогетерогенного состояния (наносостояния)

Дисперсные системы образованы из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними, причем хотя бы одна из фаз – дисперсная фаза – распределена в виде мелких частиц (кристалликов, капель, пузырьков и т. п.) в другой, сплошной фазе – дисперсионной среде . Примерами являются горные породы, грунты, почвы, дымы, облака, атмосферные осадки, растительные и животные ткани и др. Важнейшей особенностью дисперсных систем является гетерогенность . Характерная особенность дисперсных систем – сильно развитая межфазная поверхность и, как следствие, высокая свободная энергия, поэтому обычно дисперсные системы (кроме лиофильных) термодинамически неустойчивы. Они обладают повышенной адсорбционной способностью, химической, а иногда и биологической активностью. Для дисперсных систем характерно увеличение поверхности с ростом дисперсности и возрастание роли поверхностных явлений. Дисперсные системы характеризуются очень большой удельной поверхностью W дисперсной фазы.

W < K / d r ,

где K – безразмерный коэффициент (для сферических и кубических частиц K = 6); r – плотность дисперсной фазы.

Другие важнейшие термодинамические параметры, характеризующие коллоидные системы, это удельная свободная поверхностная энергия σ (поверхностное натяжение), поверхностная энтропия h и удельная адсорбция Г . Важная особенность дисперсных систем заключается в том, что значительная доля всей массы и свободной энергии системы сосредоточены в межфазных поверхностных слоях. С этой особенностью связаны свойства – невоспроизводимость (или индивидуальность) системы в связи с неодинаковой поверхностью частиц дисперсной фазы, обладающих разной поверхностной энергией даже при одинаковой удельной поверхности; структурообразование , связанное с тенденцией к термодинамической неустойчивости. Фундаментальным свойством дисперсных систем является их способность к постепенной эволюции, которая связана с природой дисперсного состояния вещества, в первую очередь с термодинамической неравновесностью. Избыток свободной энергии, обусловленной наличием высокоразвитой поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой, стимулирует протекание различных процессов (физических, физико-химических), приводящих к уменьшению свободной энергии Гельмгольца F. Такой признак, как лабильность , является следствием термодинамической неустойчивости и склонности к уменьшению свободной энергии путем образования менее дисперсных структур. Основная характеристика дисперсных систем – размеры частиц (или дисперсность ), что определяется отношением общей площади межфазной поверхности к объему дисперсной фазы. По этому признаку выделяют грубодисперсные (низкодисперсные) (частицы имеют размер от 10–4 см и выше) и тонкодисперсные (высокодисперсные) (частицы имеют размер от 10–4 до 10–5–10–7 см), или коллоидные системы (коллоиды). Предельная степень дисперсности, при которой коллоидная система сохраняет главное свойство – гетерогенность, лежит в интервале от 1 до 100 нм. Ультрадисперсные частицы занимают промежуточное положение между молекулами (атомами, ионами) и макроскопическими телами (фазами). Размер дисперсной фазы частицы d близок к предельно возможному, тем сильнее будут сказываться масштабные эффекты – зависимость свойств от размера частиц. Если у систем со средней степенью дисперсности поверхностное натяжение s определяется только химическим составом, то для наносистем уже необходимо учитывать зависимость поверхностного натяжения от размеров дисперсных частиц.

3. Различные типы классификации дисперсных систем. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы

Дисперсные системы гетерогенны и состоят из двух фаз, одна из которых (дисперсная фаза) в виде частиц различной величины распределена в другой фазе – сплошной дисперсионной среде . Дисперсные системы классифицируют прежде всего по размеру частиц дисперсной фазы (или по степени дисперсности). Кроме того, их разделяют на группы, различающиеся по природе и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды (могут быть твердыми, жидкими и газообразными), по структуре и по характеру межфазных взаимодействий. Если дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой – твердые частицы, система называется взвесью, или суспензией; если дисперсная фаза представляет собой капельки жидкости, то систему называют эмульсией. Среди дисперсных систем выделяют также пены (газ диспергирован в жидкости), аэрозоли (жидкость – в газе) и пористые тела (твердая фаза, в которой диспергированы газ либо жидкость). Сокращенно тип дисперсной системы в зависимости от агрегатного состояния записывают в виде дроби, где дисперсная фаза находится в числителе, а дисперсионная среда – в знаменателе (например, Т/Т (твердые коллоидные растворы – минералы, сплавы), Т/Ж (золи – суспензии), Т/Г (аэрозоли – пыли, дымы); Ж/Т (пористые тела – гели), Ж/Ж (эмульсии), Ж/Г (аэрозоли – туманы); Г/Т (пористые и капиллярные системы), Г/Ж (пены – газовые эмульсии)). Системы Г/Г обычно не фигурируют в классификации, т. к. необходимое условие образования дисперсной системы – ограниченная растворимость вещества в среде.

УО «ОРШАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

по изучению дисциплины и выполнению контрольных заданий для учащихся-заочников учреждений, обеспечивающих получение среднего специального образования по специальности 2«Технология хранения и переработки животного сырья (по направлению: мясо и мясные продукты)»

Орша 2010

Пояснительная записка………………………………………………………………………...3

Введение………………………………………………………………………………………...4

Раздел 1 Физическая химия……………………………………………………………………5

1.1 Агрегатные состояния веществ……………………………………………………………5

1.2 Основы химической термодинамики……………………………………………………..5

1.3 Термохимия…………………………………………………………………………………6

1.4 Фазовые равновесия………………………………………………………………………..7

1.5 Растворы…………………………………………………………………………………….7

1.6 Основы химической кинетики…………...………………………………………………..8

1.7 Катализ…………………………………….………………………………………………..9

Раздел 2 Коллоидная химия…………………………………………………………………...9

2.1 Поверхностные явления……………………………………………………………………9

2.2 Адсорбция…………………………………………………………………………………...9

2.3 Коллоидные системы……………………………………………………………………..10

2.4 Грубодисперсные системы……………………………………………………………….12

2.5 Высокомолекулярные соединения и их растворы………………………………………13

Список литературы……………………………………………………………………………17

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Рекомендации подготовлены для выполнения домашней контрольной работы учащимися 1 (первого) курса 2-го семестра уровня среднего специального образования по специальности 2«Технология хранения и переработки животного сырья», направление специальности 2«Технология хранения и переработки животного сырья (мясо и мясные продукты)», квалификации «Техник-технолог» по дисциплине «Физическая и коллоидная химия ».

Промоторы (активаторы) – вещества ускоряющие активность катализатора. Ингибиторы - вещества замедляющие активность катализатора. Катализ бывает гомогенный и гетерогенный.

РАЗДЕЛ 2 Коллоидная химия

Коллоидная химия – это наука о коллоидах и поверхностях. Она изучает системы: грубодисперсные (частицы > 1мкм) и высокодисперсные (от1мкм до 1 нм).Дисперсные системы гетерогенны и состоят из 2 и более фаз:дисперсной фазы и дисперсной среды. Например: Т /Ж - золи, суспензии, Ж/Ж - эмульсии, Г/Ж - газовые эмульсии, пены….

2.1 Поверхностные явления

К поверхностным явлениям относят те эффекты и особенности поведения веществ, которые

наблюдаются на поверхности раздела фаз. Причиной поверхностных явлений служит особое состояние молекул в слоях жидкостей и твердых тел, непосредственно прилегающих к поверхностям раздела. Эти слои резко отличаются по многим характеристикам (плотности, вязкости, электрической проводимости…). Изучение взаимодействий в поверхностных слоях необходимо для развития многих областей науки и практики, начиная от выяснения механизмов атмосферных явлений и кончая технологией моющих, клеящих, косметических средств. В производстве лекарств большую роль играют такие поверхностные явления как адсорбция, смачивание, адгезия, когезия.

Адгезия (прилипание) - это молекулярное притяжение между поверхностями двух соприкосающихся разнородных твердых или жидких фаз.

Когезия – сцепление однородных молекул, атомов или ионов, которое включает все виды межмолекулярного и межатомного притяжения внутри одной фазы. Твердые и жидкие состояния обладают большой когезией, газы – малой.

2.2 Адсорбция

Процессы поглощения газов или растворенных веществ твердыми материалами или жидкостями могут протекать по разным механизмам и носят общее название сорбции. Вещества- поглотители, называются сорбентами, поглощаемые газы или растворенные вещества - сорбатами.

Адсорбцией называется самопроизвольное концентрирование на твердой или жидкой поверхности раздела фаз вещества с меньшим поверхностным натяжением. Адсорбируемое вещество называют адсорбат . Адсорбирующее - адсорбент . Адсорбция является чисто поверхностным процессом, который заключается во взаимодействии молекул или ионов адсорбата с поверхностью адсорбента за счет сил Ван –дер –Ваальса, водородных связей, электростатических сил. Скорость такого

процесса велика, и адсорбция происходит мгновенно, если поверхность адсорбента легко доступна для молекул адсорбата. В пористых адсорбентах адсорбция протекает медленнее и с тем меньшей скоростью, чем тоньше поры адсорбента.

Избыток или недостаток растворенного вещества в поверхностном слое, отнесенный к единице поверхности, обозначают через Г, называют гиббсовой адсорбцией . Если Г > 0, то адсорбция положительна, это характерно для ПАВ. Если Г< 0 ,то адсорбция отрицательна, это характерно для ПИВ (поверхностно инактивных веществ).

Положительной адсорбцией называют адсорбцию, сопровождающуюся накоплением растворенных веществ в поверхностном слое.

Отрицательной – адсорбцию, сопровождающуюся вытеснением растворенного вещества из поверхностного слоя внутрь среды. Практическое значение имеет только положительная адсорбция.

Не пористые адсорбенты обладают наружной поверхностью, а пористые – внутренней.

Типы промышленных адсорбентов:

Углеродные (активированный уголь, углеродные волокна, графит, ткань…)

Минеральные (силикогель, глины).

2.3 Коллоидные системы

Классификация дисперсных систем:

1. По размеру частиц: - грубодисперсные (взвеси, суспензии, эмульсии, порошки)

Коллоидно-дисперсные (золи)

Молекулярные и ионные растворы

2. По агрегатному состоянию: Ж/Г – туман, аэрозоли ..

Т/Г - дым, пыль..

Г/Ж – пены, газовые эмульсии..

Ж/Ж - молоко..

Т/Ж – суспензии…

Г/Т – твердые пены, хлеб, пемза…

Ж/Т – жемчуг, гели…

Т/Т – цветные стекла, минералы, сплавы…

Г/Г – не существует, т. к. является гомогенной молекулярной, в ней нет границы раздела.

Золи –высокодисперсные коллоидные растворы, относящиеся к системе Т/Ж.

Гидрозоли – это золи у которых дисперсная среда –вода.

Органозоли – коллоидный раствор у которого дисперсная среда - органическая жидкость.

Аэрозоли –золи с газообразной средой.

Лиозоли – золи с жидкой средой.

3. По наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсных фаз:

свободно-дисперсные - аэрозоли, лиозоли, эмульсии

связано-дисперсные - гели, студни, пены

4. По степени взаимодействия фазы и среды: лиофильные (сильно выражено взаимодействие), иофобные (слабо выражено взаимодействие)

Свойства коллоидных систем:

Броуновское движение. С увеличением размера частиц прекращается поступательное броуновское движение, затем исчезает вращательное и остается колебательное.

Диффузия - самопроизвольный процесс выравнивания концентрации частиц по всему объему раствора или газа под влиянием теплового движения.

Осмотическое давление

Седиментация – процесс оседания частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием сил тяжести. Обратная седиментация – всплывание частиц.

Вязкость – внутреннее трение между слоями данного вещества, движущимися относительно друг друга. Она зависит от температуры: с повышением температуры вязкость уменьшается

Текучесть – свойство противоположное вязкости.

Оптические свойства: а) рассеивание света. В коллоидных растворах светорассеивание проявляется в виде опалесценции – матового свечения, чаще всего голубоватых оттенков, при боковом освещении золя на темном фоне. В прямом свете он может иметь красновато-желтую окраску.

б)поглощение света. Каждая среда в зависимости от своих свойств избирательно поглощает определенную часть падающего света Светопоглощение в коллоидных растворах осложняется зависимостью поглощения от дисперсности. Чем меньше размер частиц золя, тем сильнее поглощаются более короткие волны. Белые золи света не поглощают.

Методы получения коллоидных растворов:

Конденсационный – укрупнение частиц при агрегации молекул или ионов. Он основан на образовании в гомогенной среде новой фазы, имеющую коллоидную дисперсность. Общим условием образования новой фазы является перенасыщение раствора или пара. При этом образуются агрегаты из нескольких молекул, которые и становятся зародышами новой фазы. Роль зародышей могут выполнять имеющиеся или вносимые центры кристаллизации - пылинки, не большие добавки готового золя. Чем больше число центров кристаллизации и меньше скорость роста кристаллов, тем выше дисперсность получаемых золей.

Диспергирования – измельчение крупных частиц до коллоидной дисперсности. Методы измельчения: механический (дробление с помощью мельниц) и физико-химические или пептизация (свежий осадок переводят в золь путем обработки пептизаторами: р-ром электролита, р-ром ПАВ или растворителем).

Методы очистки коллоидных растворов:

-диализ – извлечение из золей низкомолекулярных веществ чистым растворителем с помощью полупроницаемой перегородки, через которую не проходят коллоидные частицы. Растворитель постоянно или периодически меняется, следовательно удаляются примеси. Недостаток метода в большой длительности процесса (недели, месяцы).

-электродиализ - процесс диализа, ускоренный путем применения электрического тока. Используют прибор электродиализатор. Очистка идет быстро (минуты, часы)

Компенсационный диализ – вместо чистого растворителя используют растворы определяемых низкомолекулярных веществ разной концентрации.

- вивидиализ используют для прижизненного определения в крови низкомолекулярных составных частей. Для проведения анализа в концы перерезанного кровеносного сосуда вставляют стеклянные канюли, разветвленные части которых соединены между собой трубками из полупроницаемого материала, и всю систему помещают в сосуд, заполненный физ. раствором соли или водой. Таким образом, было установлено, что в крови кроме свободной глюкозы есть и свободные амино-кислоты. Этот принцип был использован при создании аппарата «искусственной почки».

-ультрафильтрация – фильтрование раствора через полупроницаемую мембрану, пропускающую

дисперсную среду с примесями и задерживающую дисперсную фазу. В качестве мембраны используют целлофан, пергамент, асбест, керамические фильтры. Метод позволяет разделять коллоидные частицы на фракции.

2.4 Грубодисперсные системы

Размер частиц 1м. Частицы можно наблюдать в световой микроскоп, поэтому их называют микрогетерогенными. К ним относятся с газообразной средой – аэрозоли, порошки, а с жидкой средой – суспензии, эмульсии, пены.

Аэрозоли – система с газообразной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой. Они образуются при взрывах, дроблении, распылении веществ, а также при конденсации пересыщенных паров воды и органических жидкостей. По агрегатному состоянию аэрозоли бывают:

туманы (Ж/Г), дымы (Т/Г), пыли (Т/Г), смог (смешанного типа).

К особенностям физических свойств аэрозолей, связанных с газообразной средой относятся

-термофореза – движение частиц аэрозоля в направлении области более низких температур.

-термопреципитации – осаждение частиц аэрозоля на холодных поверхностях за счет потери частицами кинетической энергии. Этим объясняется осаждение пыли на стенах и потолке около обогревательных приборов.

-фотофореза – перемещение частиц аэрозоля при одностороннем освещении.

Роль аэрозолей велика. Влияние облаков и туманов на климат, перенос семян и пыльцы ветром, внесение удобрений. Стерильные аэрозоли применяются для стерилизации операционного поля, ран, ожогов; ингаляционные аэрозоли, содержащие антибиотик и др. препараты; аэрозоли применяют в виде клея в хирургической практике для склеивания ран, кожи, сосудов…

Порошки – свободно-дисперсные системы Т/Ж. Свойства порошков:

Насыпная плотность – масс единицы объема порошка, свободно насыпанного в какую-либо емкость;

Слипаемость - склонность порошка к образованию агрегатов;

Сыпучесть(текучесть) – подвижность частиц относительно друг друга и способность перемещаться под действием внешней силы. Зависит от размера частиц, влажности и степени уплотнения.

Гигроскопичность и смачиваемость – способность поглощать влагу из окружающей среды;

Влажность – отношение массы влаги в материале ко всей массе материала.

Электрическая проводимость;

Горючесть и взрываемость;

Способность к гранулированию.

Суспензии – Т/Ж с размерами частиц выше, чем в коллоидных системах. Отличие суспензий от коллоидных систем:

Прохождение света не вызывает опалесценции, а проявляется в виде мутности.

Лучи преломляются и отражаются, а не рассеиваются.

Седиментационная устойчивость мала.

Твердые частицы быстро оседают.

Концентрированные суспензии называют пастами.

Эмульсии –Ж/Ж, жидкости не смешиваются или ограниченно смешиваются. Эмульсии бывают:

Прямые - масло /вода, бензол /вода

Обратные - вода /масло

Эмульсии бывают: разбавленные, концентрированные, высококонцентрированные. Эмульсии быстро расслаиваются. Стабилизирующие эмульсию вещества называются эмульгаторы.

Пены – дисперсные системы Г/Ж (менее устойчива) и Г/Т (более устойчива). Устойчивость пен ниже, чем эмульсий. Стабильность пен определяется по времени « жизни» свободной пленки или пузырька, а также по времени разрушения столба пены. Образование пены происходит при продувании газа через жидкость. Сущность процесса пенообразования состоит в том, что пузырьки газа, окруженные адсорбционным слоем из молекул ПАВ, поднимаются к поверхности жидкости и встречают на ней пленку. Если пленка крепка, то пузырьки накапливаются на поверхности. Пенообразование используется в процессах флотации, при тушении пожаров, в процессах очистки поверхностей от загрязнений, в пищевой, космической и фармацевтической промышленности. Пенные аэрозоли используют как кровоостанавливающее средство, препараты против ожогов. Широко применяются твердые пены: пенопласт, пеностекло , природная твердая пена – пемза.

2.5 Высокомолекулярные системы и их растворы

Растворы высокомолекулярных веществ (ВМВ) - гомогенные термодинамически устойчивые обратимые системы, которые образуются самопроизвольно и по своей природе являются истинными молекулярными растворами.

Сходство с коллоидными растворами:

Макромолекулы состоят из многих тысяч атомов

Оптические свойства

Малая скорость диффузии

Низкое осмотическое давление.

ВМВ бывают: природные - белки, полисахариды, пектин. Имеют постоянную молярную массу;

Синтетические - пластмассы, синтетические волокна..Имеют среднее значение молярной массы.

Строение бывает: линейное – натуральный каучук;

разветвленное – крахмал;

пространственное – смолы;

сшитые – резина, эбонит.

Свойства растворов ВМВ:

1.Набухание- увеличение объема и массы полимера за счет поглощения им какого-то количества растворителя. Количественной мерой набухания является степень набухания L, которая может иметь объемное и массовое выражение L=V-V0/V0; L=m-m0/m0

Набухание может быть ограниченным (набухание желатина в воде, резины в бензоле) и неограниченным (набухание желатина в горячей воде, каучука в бензине)

2.Высаливание – процесс выделения ВМВ из раствора под влиянием электролитов или нерастворителей.

3.Коацервация – выделение новообразовавшейся фазы в виде мельчайших капель. Используется для покрытия лекарственных препаратов оболочками, с целью защиты от окружающей среды.

4.Осмотическое давление может быть измерено с достаточной точностью по уравнению Вант-Гоффа П= cRТ/ М

5. Вязкость возрастает пропорционально ассиметрии их молекулы. При одинаковой химической структуре молекул вязкость увеличивается с увеличением молекулярной массы.

Студни и гели . Понятие гель и гелеобразование относят к переходу лиофобных дисперсных систем (золей, суспензий) в вязкодисперсное состояние. Гели являются гетерогенными двухфазными системами. Переход растворов полимеров к нетекучей эластичной форме обозначают понятием студнеобразование или студень. Они могут быть гомо- и гетерогенными. Гели могут иметь коагуляционную и конденсационно-кристаллизационную структуры. Между частицами дисперсной фазы сохраняются прослойки дисперсной среды, благодаря чему проявляется не которая пластичность. Чем тоньше прослойка среды, тем больше механическая прочность структуры, но и больше ее хрупкость. Гели способны к ползучести – медленному течению без заметного разрушения пространственной структуры, и к синерезису – постепенному уплотнению структуры геля, сопровождающегося выделением дисперсной среды из капель сетки. Лиофобные хрупкие гели сохраняют свой каркас при высушивании. Высушенные гели –ксерогели – способны вновь впитывать жидкую среду. Сухие хрупкие гели ввиду пористости имеют сильно развитую поверхность и являются хорошими адсорбентами (силикогель, алюмогель.)

Гомогенные полимерные студни образуются либо при застудневании растворов линейных и разветвленных ВМВ, либо в результате набухания ВМВ. Примеры студней: желатин, агар-агар, волокна, кожа.

Вопросы к контрольной работе

1.Дайте характеристику твердому агрегатному состоянию.

2.Дайте характеристику газообразному состоянию.

3.Дайте характеристику жидкому состоянию.

4. Дайте объяснение, что такое открытая система.

5. Дайте объяснение, что такое закрытая система

6. Дайте объяснение, что такое изолированная система

7. Дайте объяснение, что такое гомогенная система

8. Дайте объяснение, что такое гетерогенная система

9.Напишите математическое выражение первого закона термодинамики

10.Напишите математическое выражение второго закона термодинамики.

11.Дайте определение понятия тепловой эффект химической реакции. Сформулируйте закон Гесса.

12.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: H2(Г)+I2(Г) = 2HI(Г)

13.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: Fe(ТВ) +H2O(Г) = FeO (ТВ)+H2(Г)

14.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: 4HCl(Г) +O2 (Г)= 2Cl2(Г)2H2O(Г)

15.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: 2A(ТВ)+3 B(Г)= 2C(г) +D(Г)

16.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: A(Г)+3B(Г) = C(Г)

17.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: 2SO2(Г)+ O2(Г) = 2SO3(Г)

18.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: H2(Г)+Cl2(Г) = 2HCl(Г)

19.Дайте математическую запись закона действия масс для реакции: 3 A(ТВ) +2B(Г) = 3 C(Г)+ D(Г)

20.На сколько градусов нужно увеличить температуру, чтобы скорость химической реакции возросла в 32 раза. Если температурный коэффициент равен 2.

21.На сколько градусов нужно увеличить температуру, чтобы скорость химической реакции возросла в 64 раза. Если температурный коэффициент равен 2.

22.На сколько градусов нужно увеличить температуру, чтобы скорость химической реакции возросла в 256 раза. Если температурный коэффициент равен 2.

23.На сколько градусов нужно увеличить температуру, чтобы скорость химической реакции возросла в 81раза. Если температурный коэффициент равен 3.

24.Для нейтрализации 30 мл р-ра серной кислоты потребовалось прибавить к ним 20 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты

25.Для нейтрализации 40 мл р-ра соляной кислоты потребовалось прибавить к ним 28 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты

26.Для нейтрализации 50 мл р-ра азотной кислоты потребовалось прибавить к ним 24 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты

27.Для нейтрализации 40 мл р-ра щелочи потребовалось прибавить к ним 24 мл 0,2н р-ра соляной кислоты. Определите нормальность взятого р-ра щелочи.

28.Для нейтрализации 20 мл р-ра серной кислоты потребовалось прибавить к ним 14 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты

29.Для нейтрализации 30 мл р-ра щелочи потребовалось прибавить к ним 24 мл 0,2н р-ра серной кислоты. Определите нормальность взятого р-ра щелочи.

30.Для нейтрализации 50 мл р-ра серной кислоты потребовалось прибавить к ним 25 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты

31.Для нейтрализации 45 мл р-ра серной кислоты потребовалось прибавить к ним 35 мл 0,2н р-ра щелочи. Определите нормальность взятого р-ра кислоты

32.В чем различие между гомогенным и гетерогенным катализом

33.Дайте определение понятию коллоидная химия. Каково ее значение.

34.Дайте характеристику адсорбции.

35.Приведите примеры классификации дисперсных систем.

36.Объясните, в чем отличие понятий гидрозоли, органозоли, аэрозоли, лиозоли.

37.Объясните, в чем отличие лиофобных и лиофильных дисперсных систем.

38.Объясните, что такое вязкость, от чего она зависит и как определяется.

39.Дайте характеристику конденсационному методу получения коллоидных растворов.

40.Дайте характеристику методу диспергирования.

41.Объясните, чем отличается диализ от электродиализа.

42.Объясните, в чем отличия компенсационного диализа от вивидиализа.

43.Что такое ультрафильтрация и для чего она применяется.

44.Дайте характеристику аэрозолям.

45.Дайте характеристику порошкам.

46.Дайте сравнительную характеристику суспензии и эмульсии.

47.Дайте характеристику пенам.

48.Дайте характеристику ВМВ.

49.Объясните, в чем отличие студня от геля.

Шифр учащегося	№ задания	№ задания	№ задания	№ задания
13з – 1, 14з-1
13з – 2, 14з-2
13з – 3, 14з-3
13з – 4, 14з-4
13з – 5, 14з-5
13з – 6, 14з-6
13з – 7, 14з-7
13з – 8, 14з-8
13з – 9, 14з-9
13з – 10, 14з-10
13з – 11, 14з-11
13з – 12, 14з-12
13з – 13, 14з-13
13з – 14, 14з-14
13з – 15, 14з-15
13з – 16, 14з-16
13з – 17, 14з-17
13з – 18, 14з-18
13з – 19, 14з-19
13з – 20, 14з-20
13з – 21, 14з-21
13з – 22, 14з-22
13з – 23, 14з - 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Ахметов и коллоидная химия. – М.: Высш. шк., 1986.

2. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высш. шк., 1977.

3. Киреев курс физической химии. – М.: Высш. шк., 1980.

4. , Киенская и коллоидная химия. – М.: Изд. центр «Академия», 2007.

5. Евстратова и коллоидная химия. – М.: Высш. шк., 1985.

Предмет коллоидной химии

Коллоидные системы и предмет коллоидной химии

Коллоидные системы

Историческая справка

Первоначально коллоидная химия была лишь главой физической химии. Теперь это самостоятельная дисциплина со своим кругом идей. Были разработаны специальные специфические коллоидно-химические методы исследования: ультрамикроскопия, электронная микроскопия, ультрацентрифугирование, электрофорез и т.д. Практика показала огромное значение коллоидной химии для современной техники. Невозможно указать отрасль народного хозяйства, в которой не использовались бы коллоидные системы и коллоидные процессы. С коллоидными системами человек имел дело с незапамятных времен. Однако изучение их началось сравнительно недавно.

Обычно считают, что основателем коллоидной химии является английский ученый Томас Грэм (*) (1805-1869), который в 50-60-е годы позапрошлого столетия ввел в обращение основные коллоидно-химические понятия. Однако не следует забывать, что у него имелись предшественники, и прежде всего – Яков Берцелиус (*) и итальянский химик Франческо Сельми (*) . В 30-е годы XIX века Берцелиус описал ряд осадков, проходящих при промывании через фильтр (кремниевая и ванадиевая кислоты, хлористое серебро, берлинская лазурь и др.). Эти проходящие через фильтр осадки Берцелиус назвал «растворами», но в то же время он указал на их близкое сродство с эмульсиями и суспензиями, со свойствами которых он был хорошо знаком. Франческо Сельми в 50-е годы XIX века продолжил работы в этом направлении, ища физико-химические различия между системами, образованными осадками, проходящими через фильтр (он назвал их «псевдорастворами») и обычными истинными растворами.

Английский ученый Майкл Фарадей (*) в 1857 г. синтезировал коллоидные растворы золота – взвесь Au в воде размерами частиц от 1 до 10 нм. и разработал методы их стабилизации.

Эти «псевдорастворы» рассеивают свет, растворенные в них вещества выпадают в осадок при добавлении небольших количеств солей, переход вещества в раствор и осаждение из него не сопровождаются изменением температуры и объема системы, что обычно наблюдается при растворении кристаллических веществ.

Томас Грэм развил эти представления о различии между «псевдорастворами» и истинными растворами и ввел понятие «коллоид». Грэм обнаружил, что вещества, способные к образованию студнеобразных аморфных осадков, такие как гидроокись алюминия, альбумин, желатина, диффундируют в воде с малой скоростью по сравнению с кристаллическими веществами (NaCl, сахароза). В то же время кристаллические вещества легко проходят в растворе через пергаментные оболочки («диализируют»), а студнеобразные вещества не проходят через эти оболочки. Принимая клей за типичный представитель студнеобразных не диффундирующих и не диализирующих веществ, Грэм дал им общее название «коллоид», т.е. клееобразный (от греческого слова колла – клей). Кристаллические вещества и вещества, хороши диффундирующие и диализирующие он назвал «кристаллоидами».

Перечислим аномальные свойства некоторых растворов, которые мы называем теперь коллоидными системами.

Свойства коллоидных систем:

1. рассеивание света (опалесценция) (указывает на неоднородность, многофазность системы).

Опалесценция становится особенно заметной, если, как это делал Тиндаль (*) через коллоидный раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. При этом растворы, прозрачные в проходящем свете, в боковом освещении проявляют все свойства мутных сред. В коллоидной жидкости, наблюдаемой сбоку, образуется яркий светящийся конус (конус Тиндаля).

2. медленная диффузия

3. малое осмотическое давление

(пп. 2 и 3 говорят о наличии в системе крупных частиц)

4. коллоидные растворы способны к диализу, т.е. с помощью мембраны могут быть отделены от примесей

5. способны к коагуляции (разрушению) системы при: добавлении примесей, изменении Т, перемешивании и т.д.

6. иногда обнаруживают явление электрофореза, открытое Рейссом (6) в России в 1808 г., т.е. частицы в системе могут обладать зарядом.

Чтобы представить, чем занимается наука «Коллоидная химия», надо ответить на вопрос, что такое коллоиды или коллоидные системы?

Предмет коллоидной химии

Коллоидная химия – наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах.

К поверхностным явлениям относятся процессы, идущие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряженных фаз.

Напомним, что фазой называется часть термодинамической системы, обладающая определенными физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

В истинных растворах вещество раздроблено до молекулярного состояния и между растворенным веществом и растворителем нет границы раздела.

Причиной поверхностных явлений является существование на границе раздела контактирующих фаз ненасыщенного поля межатомных, межмолекулярных сил, которое возникает из-за разного состава и строения соприкасающихся фаз и различия в связях их поверхностных атомов и молекул.

Поверхностные слои жидких и твердых тел, прилегающих к поверхности раздела фаз, резко отличаются по многим физико-химическим показателям от свойств фаз в глубине их объема (уд.энергия, плотность, вязкость, уд. электропроводность и др.). Отличия связаны и c определенной ориентацией молекул в поверхностных слоях и иным энергетическим состоянием их в сравнении с молекулами в объеме. Кроме того, в многокомпонентных системах (растворах) состав поверхностного слоя не совпадает с составом объемных фаз.

Особенности поверхностных слоев обусловлены наличием избытка поверхностной энергии. Свойства поверхности раздела тем сильнее влияют на поведение системы в целом, чем больше площадь поверхности (S уд). Этим объясняется доминирующая роль поверхностных явлений в свойствах высокодисперсных систем, S уд которых достигает огромных величин.

Наличие избыточной энергии в поверхностном слое молекул обусловлено неполной скомпенсированностью межмолекулярных сил притяжения у молекул поверхностного слоя вследствие их слабого взаимодействия с граничащей фазой.

Коллоидная химия изучает дисперсные системы – гетерогенные системы, состоящие из двух и более фаз, одна из которых дисперсная фаза – раздроблена (прерывна), а другая - дисперсионная среда - является непрерывной частью системы.

Положение о микрогетерогенной природе коллоидных растворов и других дисперсных систем имеет фундаментальное значение. За его открытие австрийский ученый Зигмонди (*) стал лауреатом Нобелевской премии по химии в 1925 г.

Выделение в особую группу дисперсных частиц вызвано отличием их по физическим и химическим свойствам от аналогичных свойств крупных объектов одного и того же вещества. К числу таких свойств относятся прочность, теплоемкость, Т пл, магнитные и электрические характеристики, реакционная способность.

Эти различия вызваны размерными эффектами. Особые свойства выражены тем сильнее, чем меньше размер частиц, особенно это проявляется у наночастиц. Эти свойства открывают принципиально новые практические приложения химии, физики, биологии. Изучение свойств дисперсных частиц (методов получения, структуры, физики и химии) относятся к наиболее актуальным и перспективным задачам ряда дисциплин.

Дисперсные частицы могут иметь самую различную форму : цилиндрическую, сферическую, прямоугольную, неправильную. Например, к дисперсным частицам относятся:

системы с частицами кубической, шарообразной формой – золи, эмульсии, взвеси, пасты;

нитевидные – волокна нервных клеток, 2-х - мерные мышечные волокна, капилляры, поры (древесина, ткани, волосы, кожа),

плёнки – поверхностные слои на границах раздела в эмульсиях, пенах, в порах катализаторов и адсорбентов, мембран.

Таким образом, 1 м 3 исходного вещества можно раздробить на кубики с длиной ребра а , вытянуть в нить с сечением а или расплющить в пленку толщиной а.

Если частицы имеют неправильную форму, то для использования понятия «поперечный размер», их форму приравнивают к сферической с эквивалентным диаметром.

Количественные характеристики дисперсной системы :

1. Размер частиц d ср, d min , d max

2. Концентрация частиц ν = n d /V, где n d – число частиц дисперсной фазы в единице объема дисперсионной среды V

3. Раздробленность системы характеризуется дисперсностью D и величиной удельной поверхности дисперсной фазы S уд :

Первый вариант количественной оценки - основной

D= 1/d и S уд = S /V , (1.1)

где d – минимальный размер частицы, S – суммарная площадь межфазной поверхности, V- объем тела.