Дисперсные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Раздел 1. Поверхностные явления

1.1 В чем сущность явления смачивания? Что такое краевой угол смачивания, и как он определяется?

Смачивание - это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздух). Степень смачивания количественно характеризуется безразмерной величиной косинуса краевого угла (угла смачивания), или просто краевым углом.

Действие когезионных сил направлено от границы между твердой, жидкой и газообразной фазами по касательной к сферической поверхности капли (силы гравитации не учитываются). Угол, который образован касательными к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, и имеет вершину на линии раздела 3х фаз, называется краевым углом или углом смачивания.

1.2 Что такое хроматография? В чем заключается физико-химический смысл хроматографического разделения веществ?

Хроматография - это метод разделения и анализа смесей веществ, основанный на различном распределении веществ между двумя фазами: подвижной и неподвижной.

Принцип хроматографического метода разделения основан на различии в адсорбции веществ, что обуславливается природой адсорбируемых веществ и природой адсорбентов. При адсорбционном равновесии различные вещества неодинаковое время находятся на поверхности адсорбента. Вещество, которое сильнее адсорбируется, дольше удерживается на поверхности адсорбента. В процессе прохождения через слой адсорбента смеси веществ непрерывно совершаются акты адсорбции-десорбции, в результате которых сильносорбирующиеся вещества «отстают» от слабосорбирующихся. Чем толще слой адсорбента, тем лучше разделение.

Раздел 2. Электрокинетические явления

2.1 Как образуется двойной электрический слой (ДЭС) на поверхности частицы? Что такое адсорбционный слой ионов и диффузный слой?

Двойной электрический слой (межфазный) (ДЭС) -- слой ионов, образующийся на поверхности частиц в результате адсорбции ионов из раствора, диссоциации поверхностного соединения или ориентирования полярных молекул на границе фаз. Ионы, непосредственно связанные с поверхностью, называются потенциалоопределяющими. Заряд этого слоя компенсируется зарядом второго слоя ионов, называемых противоионами. Двойной электрический слой возникает при контакте двух фаз, из которых хотя бы одна является жидкой. Стремление системы понизить поверхностную энергию приводит к тому, что частицы на поверхности раздела фаз ориентируются особым образом. Вследствие этого контактирующие фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины, что приводит к образованию двойного электрического слоя. Можно выделить три механизма образования ДЭС:

1. Переход ионов или электронов из одной фазы в другую (поверхностная ионизация). Примером может служить диссоциация поверхностных функциональных групп, принадлежащих одной из фаз (как правило, твердой). Для определения знака заряда поверхности используется правило Фаянса -- Панета

2. Преимущественная адсорбция в межфазном слое ионов одного знака.

3. Ориентирование полярных молекул в поверхностном слое. По этому механизму ДЭС образуется в случае, если вещества, составляющие фазы системы не могут обмениваться зарядами. Для определения знака заряда поверхности используют правило Кёна, гласящее, что из двух соприкасающихся фаз положительно заряжается та, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость.

В отсутствие теплового движения частиц, строение двойного электрического слоя подобно строению плоского конденсатора. Но в отличие от идеального случая, ДЭС в реальных условиях имеет диффузное (размытое) строение. Согласно современной теории структуру ДЭС составляют два слоя:

Слой Гельмгольца или адсорбционный слой, примыкающий непосредственно к межфазной поверхности. Этот слой имеет толщину д, равную радиусу потенциалопределяющих ионов в несольватированном состоянии.

Диффузный слой или слой Гуи, в котором находятся противоионы. Диффузный слой имеет толщину л, которая зависит от свойств системы и может достигать больших значений. Толщина диффузного слоя рассчитывается по формуле:

АДСОРБЦИОННЫЙ СЛОЙ - слой, образованный на поверхности раздела адсорбента на границе с другой средой (газом, жидкостью или твердым телом), состоящей из адсорбированных молекул, и характеризующийся повышенной концентрацией по сравнению с их концентрацией в объемах обеих фаз.

2.2 Что такое электрокинетический потенциал ( -потенциал), где он возникает, и чем определяется его величина?

Если мицеллу поместить в электрическое поле, то слабоудерживаемые ионы диффузного слоя начнут перемещаться к одному из электродов, а частицы с противоположным зарядом - к другому. Молекула как бы «разрывается» по границе между адсорбционными и диффузионными слоями противоинов. На указанной границе (часто ее называют границей скольжения) возникает электрокинетический потенциал, являющийся частью полного скачка потенциала. Величина электрокинетического потенциала определяется толщиной двойного электрического слоя.

Раздел 3. Оптические свойства дисперсных систем

3.1 Какие явления наблюдаются при прохождении луча света через дисперсную систему?

При падении лучей света на коллоидную систему свет может поглощаться, отражаться и рассеиваться частицами дисперсной фазы. Отражение света от поверхности частиц происходит по законам геометрической оптики, оно возможно, если размеры частиц превышают длину волны падающего света. Благодаря светтотражению коллоидные растворы легко отличить от молекулярных и ионных. При наблюдении сбоку чистая жидкость или молекулярные растворы представляются оптически пустыми, тогда как в случае коллоидного раствора наблюдается равномерное свечение освещенного участка (эффект Тиндаля). Установлено, что при прохождении через коллоидную систему интенсивность падающего света ослабляется вледствие его поглощения согласно закону Ламберта-Бугера-Бера:

3.2 Что такое опалесценция и флуоресценция? Как экспериментально отличить опалесценцию от флуоресценции?

Опалесценция - рассеяние света коллоидной системой, в которой показатель преломления частиц дисперсной фазы отличается от показателя преломления дисперсионной среды.

Явление опалесценции по своим внешним признакам сходно с явлением флуоресценции, природа которого связана с внутримолекулярным процессом. В случае флуоресценции часть падающего светового луча сначала избирательно поглощается, а затем вновь испускается ( рассеивается), но уже с иной ( обычно большей) длиной волны.

Опалесценцию коллоидных растворов по внешнему виду невозможно отличить от флуоресценции истинных растворов. Чтобы отличить опалесценцию от флуоресценции, достаточно воспользоваться красным светофильтром. Флуоресценция возбуждается, как правило, коротковолновой частью спектра, вследствие чего при освещении раствора красным светом флуоресценция исчезает, а опалесценция нет.

Раздел 4. Устойчивость и коагуляция дисперсных систем

4.1 Перечислите факторы стабилизации дисперсных систем и объясните, в чем заключается их действие

Различают следующие факторы стабилизации или устойчивости дисперсных систем:

электростатический (термодинамический), связаны с образованием двойного электрического слоя (ДЭС) на поверхности частиц. ДЭС приводит не только к появлению зарядов но и понижению поверхностной энергии (поверхностного натяжения) на границе раздела;

адсорбционно - сольватационный (термодинамический), состоящий в снижении поверхностной энергии при адсорбции стабилизатора и молекул дисперсной среды на поверхности частиц;

энтропийный (термодинамический), проявляющийся в стремлении системы к равномерному распределению частиц по объему;

структурно - механический (термодинамический и кинетический), заключающийся в образовании слоев ПАВ и ВМС на поверхности частиц. Благодаря переплетению молекул ПАВ на поверхности частиц, образуются высоковязкая стабилизирующая прослойка, которая препятствует слипанию частиц. дисперсный коагуляция электрокинетический оптический

Стабилизация реальных дисперсных систем обеспечивается, как правило, действием нескольких факторов одновременно. Каждому фактору стабилизации подбирают метод его стабилизации. Например, электростатический фактор чувствителен к введению электролитов.

4.2 Чем отличается медленная коагуляция от быстрой?

Согласно теории кинетики коагуляции различают быструю и медленную коагуляцию. При быстрой коагуляции все столкновения частиц эффективны, т.е. приводят к слипанию частиц. Такому положению отвечает условие равенства нулю потенциального барьера и равенства единице стерического множителя ( Е=0, Р=1). Константа скорости быстрой коагуляции равна:

Для медленной коагуляции необходимо учитывать эфективность соударений ( ). Т.к. не каждое соударение является эффективным, константа скорости медленной коагуляции равна:

Раздел 5. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем

5.1 В чем заключается явление диффузии? Что такое коэффициент диффузии и какими параметрами системы определяется его величина?

Диффузия - явление самопроизвольного проникновения частиц одного вещества в другое вещество. Диффузией также называется процесс самопроизвольного выравнивания концентраций молекул жидкостей или газа в различных частях объема.

Коэффициемнт диффумзии -- количественная характеристика скорости диффузии, равная количеству вещества (в массовых единицах), проходящего в единицу времени через участок единичной площади (например, 1 мІ) при градиенте концентрации, равном единице (соответствующем изменению 1 моль/л > 0 моль/л на единицу длины). Коэффициент диффузии определяется свойствами среды и типом диффундирующих частиц. Зависимость коэффициента диффузии от температуры в простейшем случае выражается законом Аррениуса:

,

Коэффициент диффузии зависит от свойств диффундирующего вещества и среды, в которой происходит диффузия, а также от температуры и давления.

5.2 Какие системы называют монодисперсными и полидисперсными? Что служит характеристикой полидисперсности системы?

Дисперсные системы с частицами одинакового размера называют монодисперсными, а различного - полидисперсными.

Полидисперсные системы характеризуются кривыми распределения, величинами среднего диаметра и удельной поверхности частиц. Полидисперсная система состоит из различных по размеру частиц, радиусы которых могут иметь любое значение в определенном интервале. Для характеристики полидисперсных систем применяют так называемые интегральные и дифференциальные функции распределения.

Раздел 6. Структурно-механические свойства дисперсных систем

6.1 Задача

Пользуясь экспериментальными данными, полученными с помошью конического пластомера, рассчитать и построить кривую изменения величины предельного напряжения на сдвиг Pm в зависимости от степени влажности хвалянской глины. Величина нагрузки F=1,65Н, константа конуса К=0,6.

6.2 Охарактеризуйте типы структур, возникающих в дисперсных системах. Приведите примеры

Существует два типа таких структур конденсационно-кристаллизационные и коагуляционные структуры.

Конденсационно-кристаллизационное структурообразование, отвечающее коагуляции в первичной потенциальной яме, происходит путем непосредственного химического взаимодействия между частицами и их сростания с образованием жесткой объемной структуры. Если частицы аморфны, то образующиеся структуры принято называть конденсационными. Если частицы кристаллические, то структуры являются кристаллизационными. При непосредственном срастании частиц механические свойства структур соответствуют свойствам самих частиц. Такие структуры типичны для связнодисперсных систем, т.е. систем с твердой дисперсной средой. Такие структуры придают телам прочность, хрупкость и не восстанавливаются после разрушения. Примеры: металлы, сплавы, керамика, бетон и др.

Коагуляционные структуры образуются при коагуляции, соответствующей вторичному минимуму потенциальной кривой взаимодействия частиц дисперсной фазы. Взаимодействие частиц через прослойки дисперсной среды является Ван-дер-Ваальсовым, и поэтому пространственный каркас структуры не может отличаться высокой прочьностью. Коагуляционные структуры имеют обычно жидкую дисперсную среду. Для них характерна способность восстанавливать свою структуру во времени после ее механического разрушения (тиксотропия). Примеры: различное сырье и промежуточные продукты, продукты питания и др.

6.3 Что представляют собой явления тиксотропии и синерезиса? Приведите пример таких структурированных дисперсных систем

Если тело претерпевает нагрузку на его поверхность, после снятия нагрузки (до разрушения тела) структура со временем восстанавливается - тиксотропия. Это возможно только в структурированных системах со свободной упаковкой, при которой частицы под нагрузкой могут перемещеться относительно друг друга на расстояния, значительно уменьшающие притяжение между ними. Явление таксотропии не происходит при плотной упаковке частиц. Примером являются различные порошки.

Для гелей характерно старение во времени, которое проявляется в постепенном упрочнении структуры, ее сжатии и высвобождении части жидкости из структурной сетки. Это явление получило название синерезиса. В результате синерезиса система может перейти в сплошное кристаллическое тело. Самопроизвольный переход коагуляционной структуры в конденсационно-кристаллическую с «выжиманием» жидкости - типичный пример синерезиса.

Размещено на Allbest.ru