И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯПРОГРАММА. КУРСА'ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ. Готовая работа по предмету Коллоидная химия. Физическая и коллоидная.

1. Физическая И Коллоидная Химия Шпоры

Одной из характерных особенностей гидрофильных коллоидов явля­ется их способность образовывать студни ( гели). При образовании студня коллоид застывает в виде твердого тела, обычно с очень небольшим выделением воды. Следует отличать коагуляцию от студнеобразования. При студнеобразовании не происходит свертывания коллоидов, и под обыкно­венным микроскопом мы не заметим появления более крупных агрегатов. Мицеллы коллоида в геле сохраняют свои ультрамикроскопические или субмикроскопические размеры. Что же происходит с мицеллами коллоида золя при переходе его в гель?

Наиболее вероятное предположение заклю­чается в том, что вытянутые в виде палочек мицеллы коллоидов одеты вод­ными оболочками не по всей своей поверхности, а только в средней части мицеллы. На обоих ее концах имеются участки, несущие заряд. Мицеллы золя предохраняются от соединения за­рядом этих участков. При утрате гидрофобными участками заряда про­исходит соединение мицелл в сетча­тый трехмерный остов (рис. 22), запол­ненный межмицеллярной жидкостью. Образование геля каждый наблюдал на примере желатины, которую при­бавляют к сладким сокам при приго­товлении желе. Всем известно, что если нагреть такое желе, то оно опять ста­новится жидким, переходя в состоя­ние золя.

При снижении температу­ры золь опять переходит в гель. Помимо нагревания, гель может пе­рейти в золь и при механическом его встряхивании.

Это явление играет нема­ловажную роль в мире организмов. Очень часто проникающий в тело организма паразит облегчает себе путь именно таким образом, разжижая коллоидные плазмы. Строение геля Все гели можно разделить на три типа. ненабухающие,. огра­ниченно набухающие,. неограниченно набухающие. К ненабухающим относятся такие неорганические гели, как кремниевая кислота.

В этом геле вода может заполнить только капилляр­ные промежутки между мицеллами, и гель при этом не увеличивает своего объема. Материал с сайта К огра­ниченно набухающим относится часть органических гелей, как например, желатина. Возьмите сухую желатину и положите ее в воду. Один объем такого геля может связать до 14 объемов воды.

При набухании выделяется некоторое количество тепла. Сухой гель набухает до опреде­ленного предела и без повышения температуры не переходит в золь. К неограниченно набухающим относятся, например, гуммиарабик, гемо­глобин и др. Они сначала набухают, а затем при избытке растворителя пе­реходят в золь. Сразу же следует отметить, что большинство коллоидов растительной клетки являются ограниченно набухающими коллоидами.

Такова, например, клеточная оболочка и протоплазма клетки.

Коагуляция Лиофобные коллоиды являются термодинамически неустойчивыми системами, существующими благодаря стабилизации за счет возникновения защитных ионных или молекулярных слоев. Следовательно, изменение состояния этих слоев может привести к потере устойчивости и затем к выделению дисперсной фазы. Коагуляция - процесс слипания (слияния) коллоидных частиц с образованием более крупных агрегатов с последующей потерей кинетической устойчивости. В общем смысле под коагуляцией понимают потерю агрегативной устойчивости дисперсной системы. Скрытая стадия коагуляции – очень быстрая – размер частиц увеличивается, но осадок не выпадает – изменение окраски, помутнение. Явная стадия – выпадение осадка, выделение двух фаз в растворе.

Осадок называется коагулят. Конечным итогом коагуляции могут быть два результата: разделение фаз и образование объемной структуры, в которой равномерно распределена дисперсионная среда (концентрирование системы). В соответствии с двумя разными результатами коагуляции различают и методы их исследования (для первого результата – оптические, например, для второго – реологические). Основные процессы, которые могут происходить в дисперсных системах, показаны на рис.

Из схемы видно, что понятие коагуляция включает в себя несколько процессов (флокуляция, коалесценция, агрегация, структурообразование), идущих с уменьшением удельной поверхности системы. Процессы, происходящие в дисперсных системах. Коагуляция может быть вызвана разными факторами:. введением электролитов;. нагреванием или замораживанием дисперсной системы;.

механическим воздействием;. высокочастотными колебаниями;.

ультрацентрифугированием и др. Наиболее важным и изученным является действие электролитов. ^ Действие электролитов на коагуляцию Установлен ряд эмпирических закономерностей воздействия электролитов, которые известны под названием правил коагуляции:. Любые электролиты могут вызвать коагуляцию, однако заметное воздействие они оказывают при достижении определенной концентрации.

^ Порог коагуляции – минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию (, моль/л; иногда С к ). Порог коагуляции определяют по помутнению, изменению окраски или по началу выделения дисперсной фазы в осадок. Правило Шульце-Гарди (правило значности, эмпирическое): Коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет заряд, противоположный заряду потенциалопределяющих ионов мицеллы (гранулы), причем, коагулирующее действие тем сильнее, чем выше заряд. Где К – коагулирующая способность (примем ее за единицу). По правилу Шульца – Гарди значение порогов коагуляции для противоионов с зарядами 1, 2 и 3 соотносятся как 1:1/20:1/500, т.е. Чем выше заряд, тем меньше требуется электролита, чтобы вызвать коагуляцию.

Например, коагулируем золь сульфида мышьяка (As 2S 3): или Fe(OH) 2 ( As 2S 3) Fe(OH) 2 NaCl (Na +) =5 моль/л KBr (Br -) =12,5 MgCl 2 (Mg 2+) =0,72 K 2SO 4 (SO 4 2-) =0,205 AlCl 3 (Al 3+) =0,092 Правило Шульце – Гарди имеет приближенный характер и описывает действие ионов лишь неорганических соединений. В ряду органических ионов коагулирующее действие возрастает с повышением адсорбционной способности. В ряду неорганических ионов одинаковой зарядности их коагулирующая активность возрастает с уменьшением гидратации. Лиотропные ряды или ряды Гофмейстера – это порядок расположения ионов по их способности гидратироваться (связывать воду).

Слово 'лиотропный' значит 'стремящийся к жидкости' (более подходящий термин для случая водных сред – гидротропный). Возрастание коагулирующей активности Li +; Na +; K +; Rb +; Cs + возрастание степени гидратации Теплота гидратации: 140 117 93 86 (ккал/г-ион) 5.

Очень часто началу коагуляции соответствует снижение дзета-потенциала до критического значения (около 0,03 В). В осадках, получаемых при коагуляции электролитами, всегда присутствуют ионы, вызывающие ее.

^ Совместное действие электролитов при коагуляции Смеси электролитов при коагуляции золей редко действует независимо. Наблюдаемые при этом явления можно свести к трем следующим: аддитивность, антагонизм и синергизм электролитов. Указанные явления при использовании смесей электролитов приведены на рис.5.2. Зависимость 1 – характеризует аддитивное действие электролитов. Коагулирующее действие в смеси определяют по правилу простого сложения: KCl+KNO 3; NaCl+KCl Кривая 2 – антагонизм электролитов – содержание каждого электролита в смеси превышает его собственную пороговую концентрацию Al(NO 3) 3+K 2SO 4; Ti(NO 3) 4+Na 2SO 4 Синергизм действия электролитов демонстрирует кривая 3. Усиливается действие каждого из электролитов – для коагуляции их требуется меньше в смеси, чем каждого по отдельности.

LiCl+CaCl 2 действуют на гидрозоль H 2S с 2  2 2 1 3  1 с 1 Рис. Совместное действие электролитов при коагуляции. ^ Теория устойчивости гидрофобных дисперсных систем ДЛФО Современная физическая теория коагуляции электролитами основана на общих принципах статистической физики, теории молекулярных сил и теории растворов. Ее авторами являются: Б.В. Дерягин, Л.Д. Ландау (1937-1941), Э.

Овербек (по первым буквам ДЛФО). ^ Суть теории: между любыми частицами при их сближении возникает расклинивающее давление разделяющей жидкой прослойки в результате действия сил притяжения и отталкивания. Расклинивающее давление является суммарным параметром, учитывающим действие как сил притяжения, так и сил отталкивания. Состояние системы зависит от баланса энергии притяжения (U пр) и энергии отталкивания (U отт). Преобладает U отт – устойчивая система. Преобладает U пр - нарушение агрегативной устойчивости – коагуляция.

Изменение энергии взаимодействия между двумя частицами при их сближении изображают графически (рис. Суммарную энергию системы из двух частиц (кривая 3) получают сложением U отт и U пр: U=U отт+U пр = где: В – множитель, зависящий от значений электрических потенциалов ДЭС, свойств среды, температуры; е – основание натурального логарифма;  – величина, обратная толщине диффузного слоя; h – расстояние между частицами; А – константа молекулярных сил притяжения. U отт 1 U б 3 h II U я I 2 U пр Рис.5.3. Потенциальные кривые взаимодействия коллоидных частиц: 1 – изменение энергии отталкивания с расстоянием; 2 – изменение энергии притяжения; 3 – результирующая кривая.

Физическая И Коллоидная Химия Шпоры

Рассмотрим результирующую кривую 3 на рис.5.3. На ней имеются характерные участки:. В области малых расстояний имеется глубокий первичный минимум (потенциальная яма) – значительно преобладает U пр.

Первичный минимум отвечает непосредственному слипанию частиц (I). В области больших расстояний - вторичный неглубокий минимум (вторая потенциальная яма, отвечает притяжению через прослойку среды). В области средних расстояний на кривой имеется максимум и, если он расположен над осью абсцисс, то появляется энергетический барьер сил отталкивания (U б).

Результирующая кривая 3 может иметь различный вид в зависимости от устойчивости дисперсной системы (рис.5.4.). U отт 2 3 h 1 U пр Рис.

Потенциальные кривые для определенных состояний устойчивости дисперсной системы:. в системе при любом расстоянии между частицами преобладает энергия притяжения над энергией отталкивания. В такой системе наблюдается быстрая коагуляция с образованием агрегатов. достаточно высокий потенциальный барьер и наличие вторичного минимума. Частицы взаимодействуют, но не имеют непосредственного контакта и разделены прослойками среды. система с высокой агрегатной устойчивостью (высокий потенциальный барьер и отсутствие вторичного минимума или при его глубине, меньшей тепловой энергии kТ). В зависимости от высоты энергетического барьера и глубины потенциальных ям возможны различные варианты поведения частиц при сближении (рис.5.5), частицы обладают кинетической энергией – kТ.

Схемы взаимодействия коллоидных частиц Состояние в: Малая высота барьера и неглубокий вторичный минимум: U бU яkT частицы вступают в ближнее взаимодействие, т.е. Непосредственно соприкасаются – наступает коагуляция Состояние а: Характеризуется тем, что перекрываются диффузные слои и сохранены прослойки среды между частицами (гели). Энергетический барьер довольно высок U б=(5-10)kT вторичный минимум неглубок: U яkT Взаимодействующие частицы не могут разойтись (удерживают силы притяжения) и не могут приблизиться вплотную (препятствуют силы отталкивания). Добавление электролита чаще всего приводит к коагуляции (уменьшается h). Состояние б: Высокий энергетический барьер U бkT и отсутствие или неглубокий вторичный минимум U яkT: Частицы не могут преодолеть барьер и расходятся без взаимодействия. Такая система агрегативно устойчива. Дисперсная система агрегативно устойчива при высоком энергетическом барьере сил отталкивания.

^ Скорость коагуляции Х од коагуляции в зависимости от концентрации коагулирующего электролита можно подразделить на две стадии: медленную и быструю. Медленная быстрая Скорость коагуляции В А скрытая С к – порог коагуляции С эл ^ Рис.5.6. Зависимость скорости коагуляции от концентрации электролита В области медленной коагуляции скорость сильно зависит от концентрации (отрезок АВ). В точке В скорость становиться постоянной и не зависит от концентрации электролита – здесь значение  - потенциала равно нулю – начало быстрой коагуляции. Концентрацию электролита, начиная с которой скорость коагуляции остается постоянной, называют порогом быстрой коагуляции.

Теории кинетики коагуляции разработаны Смолуховским (1916г). Рассматривают коагуляцию как реакцию второго порядка, в элементарном акте которой участвуют две частицы:.

Уравнение Смолуховского для расчета числа частиц, слипшихся по m-штук за время :; - первоначальное число частиц; - время половинной коагуляции ( ). При быстрой коагуляции все столкнувшиеся частицы реагируют (U б=0). Уравнение Смолуховского для константы скорости быстрой коагуляции:; где - вязкость среды. При медленной коагуляции не все столкновения приводят к слипанию.

Уравнение Смолуховского для медленной коагуляции:; где Р – стерический множитель, учитывающий благоприятные пространственные расположения частиц при столкновении, их физические размеры. При быстрой коагуляции все столкновения эффективны и Р=1, при медленной Р.