дисп.сист26. (1)

1.

Дисперсные системы
Коллоидные растворы

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

дисперсные системы– это гетерогенные системы двух или более
компонентов с сильно развитой поверхностью раздела между фазами.
То вещество, в котором
распределена
дисперсная фаза
называется
дисперсионной средой
(ДС) (она непрерывна).
Дисперсионная
среда
Дисперсня
фаза
Дисперсная фаза (ДФ) или
дисперсоид - это
раздробленная фаза (или
несколько фаз) в виде мелких
кристаллов, твердых
аморфных частиц, капель
жидкости или пузырьков газа.
Характеристикой раздробленности дисперсной фазы Степень дисперсности(Д)–
величина, обратная среднему диаметру (d) частиц дисперсной фазы Д = 1/d, м–1
Классификация дисперсных систем по размеру
частиц дисперсной фазы
Группы
Размер частиц
Грубодисперсные системы
>10-7 м (>100 нм)
Коллоидно-дисперсные
системы
≈ 10-7 - 10-9 м,
1 - 100 нм
Молекулярно-ионные
(истинные) растворы:
< 10-9 м,
< 1 нм
От дисперсности частиц зависят
многие свойства дисперсных систем,
такие, как устойчивость, реакционная
способность, оптические свойства и др.
Пирофорные вещества – металлы
Fe, Co, Ni, Zr, U, FeS2, сажа, мука,
уголь

3. Поверхностная энергия Gпов

Частицы дисперсной фазы коллоидных систем имеют сильно развитую
поверхность.
Увеличение площади поверхности
Поверхностная энергия Gпов –
это энергия, сосредоточенная на
поверхности вещества и
избыточная по отношению к
энергии в объеме вещества.
при дроблении
1м
6м2
6 ·103 м2
6 ·109 м2
Поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности
F (удельная поверхностная энергия), называется поверхностным натяжением
( ) c размерностью Дж/м2 или Н/м.
∆Gо пов.= ∆Но пов - T∆Sо пов = F
зависит от:
➢1. природы жидкости;
➢2. температуры (падает с ее ростом)
➢3. давления (падает с ее ростом)
➢4. природы и концентрации растворенных веществ
= Gпов /F

4. Адсорбция

моль/м2 или ммоль/см2
Адсорбцией называется процесс самопроизвольного изменения
концентрации какого-либо вещества у поверхности раздела двух фаз.
Вещество в
адсорбированном
состоянии называется
адсорбатом.
Если вещество находится в объеме и
может адсорбироваться, то его называют
адсорбтивом.
Вещество, которое адсорбирует
другое вещество, называют
адсорбентом
Виды адсорбции
Физическая адсорбция
(обратима )энергия менее 20 кДж/моль
обусловлена межмолекулярными
взаимодействиями (ориентационными,
индукционными, дисперсионными)
Хемосорбция (необратима)
энергия более 40 кДж/моль
▪ обусловлена химическим
взаимодействием адсорбента с
веществом среды
▪ молекулы адсорбата образуют с
адсорбентом поверхностные
химические соединения

5. Адсорбтивы

Адсорбтив – вещество, молекулы которого поглощаются
адсорбентом в процессе адсорбции.
поверхностноактивные вещества
ПАВ
• Снижают
поверхностное
натяжение
р-ра < р-ля
0
C
спирты, кислоты
алифатического ряда и
их соли (мыла),
сложные эфиры, белки,
фосфолипиды, желчные
кислоты, холестерин.
поверхностноинактивные
вещества ПИВ
• Повышают
поверхностное
натяжение
р-ра > р-ля
0
C
неорганические
соли, кислоты,
основания
поверхностнонеактивные вещества
ПНВ
• Не меняют
поверхностное
натяжение
р-ра = р-ля
=0
C

6.

Классификация дисперсных систем
Агрегатное
Условное
состояние
обозначе
дисперсионно
ние
й среды
системы
Газ
Жидкость
Твердое
тело
Ж/Г
Т/Г
Г/Ж
Ж1/Ж2
Т/Ж
Г/Т
Ж/Т
Т1/Т2
Агрегатное
состояние
дисперсной
фазы
Тип
системы
Жидкость
Твердое
тело
Газ
Жидкость
Твердое
тело
Аэрозоль
Туман, облака
Дым, пыль, порошки
Пена
Эмульсии
Золь
Взбитый белок, мыльная
пена
Нефть, молоко, сливки
Коллоидные растворы,
чай, кофе
Желе, студень
Пемза, хлеб
Полудрагоценные камни
Опал, жемчуг, бирюза
Газ
Жидкость
Твердое
тело
Гель
Тв. пены
Тв. эмульсии
Тв. золь
Примеры систем
Минералы, драгоценные
камни, сплавы, бетон

7. Коллоидные системы

Обязательным условием образования дисперсной системы
является гетерогенность, то есть взаимная нерастворимость
дисперсной фазы и дисперсионной среды
Коллоидный раствор (золь) – это микрогетерогенная система,
состоящая
из
жидкой
дисперсионной
среды
и
твердой
мелкораздробленной дисперсной фазы, частицы которой имеют размеры
от 10–7 до 10–9 м.
Свойства растворов
определяются
концентрацией
растворенного вещества,
а также химической
природой компонентов
коллоидные
системы

8. Правило Пескова – Фаянса

На поверхности твердого ядра мицеллы
адсорбируютя преимущественно те
ионы дисперсионной среды, которые
1.входят в ее кристаллическую решетку
(или являются изоморфными с ним) и
2.в растворе содержатся в избытке
AgNO3 +
1). AgNO3 +
KI в избытке:
m AgI + n KI→
KI → AgI
+
KNO3
2). AgNO3 (в избытке) + KI :
m AgI + n AgNO3 →
{[m AgI] ∙ n I- ∙ xK+}(n-x)- (n-x)K+ {[m AgI] ∙ n Ag+ ∙ xNO3-}(n-x)+ (n-x) NO3I-
Ag+
Ag I
Обоначения:
Ag+
I-
Ag I

9. Схема строения мицеллы хлорида серебра

Структурной единицей золя является мицелла.
m AgI + n AgNO3
→ {[m AgI] ∙
1
n Ag+ ∙ xNO3-}(n-x)+ ∙ (n-x) NO32
3
4
5
6
7
Мицелла состоит из ядра и окружающего
его двойного электрического слоя (ДЭС)
Мицелла электронейтральна

10.

Строение ДЭС и электрокинетический потенциал
(ζ(дзета)-потенциал)
Структурной единицей золя является мицелла
Мицелла электронейтральна, состоит из ядра и
окружающего его двойного электрического слоя (ДЭС)
Дзета-потенциал (ζ )
ζ=0,01-0,1 В
ζ— это потенциал на границе между
коллоидной частицей, способной к движению в
электрическом поле, и окружающей жидкостью,
т.е. потенциал поверхности скольжения частицы
в коллоидном растворе.
Чем меньше толщина диффузного слоя,
тем меньше дзета-потенциал
φ - электродинамического потенциала
За толщину адсорбционного слоя принимают диаметр гидратированных
ионов, его составляющих

11. Методы получения коллоидных растворов

Методы диспергирования
• Физические методы
диспергирования:
1. - механическое дробление;
2. - дробление ультразвуком ;
3. - электрический метод ;
Химические методы
диспергирования:
Пептизация
Методы конденсации
1.Физические
• конденсация паров
2. Химические
• Метод окисления
• Метод восстановления
• Метод обменного
взаимодействия
• Метод гидролиза
mFe(OH)3↓ + nFeCl3 → {[mFe(OH)3]·n Fe3+·x Cl- }(3n-x)+- (3n-x) Cl -

12. Химические методы диспергирования

1.Метод пептизации
2CuSO4. +
K4 Fe(CN)6 → Сu2 Fe(CN)6
mСu2 Fe(CN)6
+ n K4 Fe(CN)6
+ 2K2SO4
→
→{[mСu2 Fe(CN)6 n Fe(CN)6 4- xK+ }(4n-x)- (4n-x) K+
2. Метод гидролиза
FeCl3 +
t
3H2O → Fe(OH)3 + 3HCl
mFe(OH)3 + nFeCl3 →
→ {[mFe(OH)3] nFe3+ xCl-}(3n-x)+ (3n-x)Cl—
3. метод конденсации
реакции восстановления
2H[AuCl4] +3H2O 2 → 2Au↓ + 3O2+ 8HCl
mAu ↓ + nH[AuCl4] →{[mAu] n[AuCl4]- xH+} (n-x)- (n-x) H+

13. (По характеру взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды)

Классификация дисперсных систем
(По характеру взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды)
Лиофильные коллоиды
Сильное взаимодействие
между дисперсной фазой и
дисперсионной средой
• образуются самопроизвольно,
термодинамически устойчивы
• существуют как устойчивая
система благодаря сильному
взаимодействию частиц
дисперсной фазы с
дисперсионной средой
• -растворы некоторых
низкомолекулярных веществ,
растворы высокомолекулярных
соединений (ВМС), которые
образуются самопроизвольно
Структурная единица лиофильных
растворов — макромолекула
Лиофобные коллоиды
(золи)
• - частицы дисперсной фазы
слабо взаимодействуют с
дисперсионной средой,
имеют резкую границу
раздела фаз
• термодинамически
неустойчивы вследствие
большого избытка
свободной поверхностной
энергии.
• Пример: золи металлов,
неметаллов, гидроксидов,
солей
Структурная единица лиофобных
растворов— мицелла

14. По характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы между собой

Классификация дисперсных систем
По характеру взаимодействия частиц дисперсной фазы между собой
К свободнодисперсным
системам (золям )
К связнодисперсным
системам (гелям )
• относят системы, в которых
• относят системы, в которых
частицы связаны друг с
другом межмолекулярными
силами и образуют в
дисперсионной среде
пространственные сетки.
Такие частицы, не способны
свободно перемещаться, а
могут лишь совершать
колебательные движения.
частицы дисперсной фазы не
связаны друг с другом и
способны независимо
перемещаться в
дисперсионной среде под
влиянием теплового движения
или силы тяжести.
К ним относятся лиозоли, аэрозоли,
разбавленные суспензии и эмульсии.

15. Устойчивость коллоидных растворов

Устойчивостью - способность коллоидов противодействовать
разрушению и сохранять присущую им степень дисперсности и
равномерное распределение частиц в объеме
Устойчивость коллоидных растворов
Агрегативная устойчивость
Кинетическая устойчивость
обусловлена постоянным
движением частиц, с одноименным
заряд гранул, который препятствует
их слипанию и увеличению размера
частиц.
связана с выравниванием
концентрации коллоидных частиц
в объеме за счет постоянного
броуновского движения этих частиц.
Основные факторы устойчивости коллоидных растворов
1. Величина ζ-потенциала
2. Величина электродинамического потенциала (φ)
3. Толщина диффузного слоя
4. Величина заряда гранулы
Механизм коагуляции золей электролитами
1. Сжатие диффузного слоя
2. Избирательная адсорбция ионов с зарядом, противоположным заряду гранулы
3. Ионообменная адсорбция

16. Факторы, влияющие на агрегативную устойчивость коллоидов

Фактор
Изменение устойчивости
Причина
Разбавление
Может снижать
Десорбция потенциалопределяющих
ионов, гидролиз электролитов
Концентрирование
При достижении определенного порога
снижает
Повышение концентрации электролита,
увеличение числа соударений
Длительное
хранение
Иногда снижает
Медленно протекающие химические
изменения в золе.
Нарастание количества эффективных
соударений
Изменение природы
потенциалопределяющих ионов
Фактор
Иногда увеличивает (золь сульфида
ртути)
Изменение устойчивости
Причина
Добавление
электролита
Снижает
Но может вызвать перезарядку
Уменьшение заряда коллоидной частицы
Температура
Сильное нагревание в ряде случаев
снижает
Десорбция потенциалопределяющих
ионов, увеличение кинетической энергии
Повышение концентрации электролита изза твердения части растворителя
Сильное охлаждение до замерзания
растворителя снижает
Ультразвук
При малой мощности снижает
При большой обладает
диспергирующим действием
Перемещение со средой только наиболее
мелких частиц

17. Разрушение коллоидных систем действием электролитов

КОАГУЛЯЦИЯ процесс укрупнения частиц дисперсной фазы
золя с последующим выпадением в осадок(седиментацией)
Коагуляция может быть вызвана
Нарушение одного или
сразу обоих видов
устойчивости
коллоидных растворов
приводит к их
разрушению.
1. увеличением концентрации золя;
2. действием света;
3. изменением температуры;
4. облучением;
5. добавлением электролитов
6. встряхиванием
Разрушение коллоидных систем действием электролитов
Сэл Vэл
Cпор =
Vзоля + Vэл
Сэл – исходная концентрация
добавляемого электролита, ммоль/л;
Vэл – объем электролита, вызывающий
коагуляцию, мл;
Vзоля – объем золя, мл
Порогом коагуляции (Спор.) , ммоль/л, называется
наименьшая концентрация электролита, вызывающая коагуляцию
коллоидного раствора.

18.

Ионы электролита, имеющие заряд, противоположный заряду
коллоидной частицы, называются ионами – коагуляторами.
Коагуляторы нейтрализуют электрический заряд коллоидной частицы,
что приводит к быстрой коагуляции и седиментации
правило Шульца – Гарди: Коагулирующая способность резко
возрастает с увеличением заряда иона. Чем выше заряд
коагулирующего иона, тем ниже порог коагуляции.
Для разновалентных ионов их коагулирующее действие
прямо пропорционально зарядам ионов в шестой степени
Cпор 1 Z 6
Правило Дерягина — Ландау:
Пороги коагуляции обратно пропорциональны шестой степени
зарядов ионов-коагуляторов
Для ионов с зарядами +1,-1; +2,-2; +3,-3 соотношение порогов
коагуляции :
С1пор : С2пор : С3пор
=
1 1 1
: 6 : 6
6
1 2 3
≈
729 : 11 : 1

19.

Разрушение золя гидроксида железа
mFe(OH)3 + nFeCl3 → {[mFe(OH)3] nFe3+ xCl-}(3n-x)+ (3n-x)Cl—
раствор хлорида железа
золь хлорида железа
Седиментация - направленное движение частиц в поле
действия гравитации или центробежных сил вместе с жидкостью или газом
золь
коагуляция
седиментация
Седиментация сопровождается разрушением
коллоидного раствора с выпадением осадка.

20. Оптические свойства коллоидов

Прохождение света через коллоидный раствор сопровождается
отражением, преломлением, поглощением и рассеиванием
света и определяется соотношением между размером частиц
дисперсной фазы и длиной волны падающего света.
Максимум рассеяния света - d≈0,1λ
В коллоидных растворах
размеры частиц сравнимы с
длиной волны видимого
света, поэтому наблюдается
рассеяние света.
Это оптическое свойство коллоидов еще называют эффектом
(конусом) Тиндаля.
Опалесценция – эффект свечения частиц коллоидной
системы при прохождении через него света,
обусловленное ее оптической неоднородностью.

21. Взаимное превращение золя и геля

Золи – это коллоиды с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной фазой.
гели -дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и твердой дисперсной
фазой, частицы которой за счет сил межмолекулярного взаимодействия ( за счет
водородных связей) образуют пространственную структурную сетку.
Гели представляют собой псевдотвердые системы, способные сохранять форму,
обладающие упругостью и пластичностью.
Получение золя
Na2SiO3+ 2HCl→H2SiO3↓ + NaCl Получение геля
кремниевой кислоты:
кремниевой кислоты:
pH<7
mH2SiO3↓+nHCl →
mH2SiO3 ↓ +nNa2SiO3 pH→= 7
2+ (2n-x)-·(2n-x)Na+
{[mH SiO ]·nH+·xCl-}(n-x)+·(n-x)Cl- {[mH2SiO3]·nSiO3 ·xNa }
2
3
Золь
pH = 7
pH<7
Гель снова станет золем в кислой среде pH<7:
mH2SiO3↓ +nHCl → {[mH2SiO3]·nH+·xCl-}(n-x)+·(n-x)ClРазрушение золя:
{[mH2SiO3]·nSiO32-·xNa+}(2n-x)-·(2n-x) Na ++yKCl →
→ mH SiO ↓+nNa SiO +yKCl
Гель

22. Стабилизация коллоидных систем

Для получения устойчивых коллоидных растворов необходима стабилизация
путем снижения поверхностной энергии. Эффективными стабилизаторами
являются поверхностно-активные вещества (ПАВ)
Строение поверхностно-активных веществ (ПАВ)
гептановой гептанового
кислоты
спирта
ПАВ – это вещества сложного
строения, в составе которых
существует углеводородный
радикал, который может быть
связан с разными элементами.
общая модель
молекулы ПАВ.
Механизм действия ПАВ
1.ПАВ адсорбируется на любой по химической природе поверхности
(органической или неорганической), ориентируясь родственными связями
2.В результате создается структурно-механический барьер между гранулами.
3.Происходит снижение поверхностной энергии и повышение
устойчивости золя.
4. ПАВ мешает гранулам коллоида слипаться и укрупняться

23. Электрокинетические свойства коллоидных растворов

Электрофорезом называется движение заряженных коллоидных частиц в
поле постоянного тока к противоположно заряженному электроду.
Электрофорез - применяется
для концентрирования растворов,
• удаления воды из нефти,
• нанесения различных сложных покрытий
• в строительстве и при реставрационных
работах для укрепления оснований, стен,
штукатурки.
• В медицинесреды в поле постоянного
Электроосмос – это перемещение дисперсионной
тока через полупроницаемую перегородку к одному из электродов.
Электроосмос –используется
1.в пищевой промышленности для очистки сока, вина, молока
2. в медицине – для стерилизации крови,
3.в строительстве для удаления влаги при осушке различных
объектов (стен зданий, сыпучих материалов, при строительстве
плотин, дамб и т. д.),
4.для пропитки материалов различными веществами.

24.

Роль коллоидной химии
Разработка научных основ технологических процессов
в области получения:
▪ наноматериалов,
▪ дисперсных материалов,
▪ силикатов (керамики, стекол),
▪ дисперсных пористых структур (катализаторов и сорбентов),
▪ пластмасс, резины, природных и синтетических волокон,
клеев, лакокрасочных материалов,
▪ поверхностно-активных веществ (ПАВ),
▪ стабилизаторов пен и эмульсий, моющих средств;
в области формирования
• оптимальной структуры почв,
• борьбы с их засолением и эрозией.