1 КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

2

3 Коллоидная химия – это наука о физико-химических свойствах дисперсных систем и процессах, протекающих на границах фаз.

4 Основы коллоидной химии используются при: Производстве современных композиционных и строительных материалов (керамики, стекол и т.д.) Получении пористых структур – катализаторов и сорбентов Производстве пластмасс, резины, синтетических волокон, клеев, лакокрасочных материалов Производстве продуктов питания Извлечение нефти и ее переработке Флотации руд Мембранных процессах разделения и водоподготовки Разработке и применении поверхностно-активных веществ (стабилизаторов пен и эмульсий, моющих средств и т.д.) Природоохранных мероприятиях (очистка природных и сточных вод, воздуха и т.д.)

5 Объекты исследования коллоидной химии Поверхностные явления Дисперсные системы Адсорбция Когезия Адгезия Смачивание Образование ДЭС Электрокинетич еские явления Образование мениска Образование новой поверхности Образование сферической гладкой поверхности Коагуляция Коалесценция Лиофоб ные золи Лиофильные золи Микрогет ерогенные системы Растворы ВМС Растворы коллоидных ПАВ

6 I. Дисперсные системы, их классификация и характеристики Дисперсные системы (ДС) – это системы, состоящие как минимум из двух фаз, одна из которых обязательно находится в мелкораздробленном (т.е. дисперсном) состоянии, а другая – непрерывна. Дисперсные системы дисперсная фаза дисперсионная среда Раздробленная фаза Раздробленная фаза Сплошная среда

7 1. Признаки дисперсных систем Гетерогенность (или многофазность), Признак, указывающий на наличие межфазной поверхности (т.е. поверхностного слоя) Дисперсность (или раздробленность), Определяется размерами и геометрией тела => придает ДС новые свойства.

8 Дисперсность влияет на: 1. Реакционную способность (при дисперсности реакционная способность ) Например: сахарная пыль взрывоопасна, но кусок сахара не горит; топливо дробят на капли для лучшего сгорания; сушка молока, испарение жидкости 2. Растворимость вещества (при дисперсности растворимость вещества ) Например: Сахар-песок растворяется лучше сахара в комочках; Костер разжигают небольшими щепками; Кофе сначала размалывают, а затем варят 3. Равновесие химической реакции ( при дисперсности активность вещества => направление реакции зависит от дисперсности исходных веществ или продуктов реакции) Например: Au – не растворяется в HCl, а коллоидное золото растворяется; S – грубодисперсная не реагирует с AgNO 3, а коллоидная S образует Ag 2 S

9 2. Количественные характеристики ДС 1. Поперечный размер частиц: [d] = см, м 2. Дисперсность (раздробленность): [Д] = см -1, м Удельная поверхность S уд – это межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы (V) или ее массы (m). β – коэффициент формы частиц (для сферических и кубических частиц β=6) S уд = [см -1, м -1 ]

10 0,05 м 2 5 м м 2

11 Кровь – это дисперсная система Поверхность всех эритроцитов – 3200 м 2 =

12 Уши слона весят 50 кг. Длина кровеносных сосудов – десятки км, площадь поверхности ушей огромна.

13 3. Классификация ДС 3.1. Классификация ДС по общим признакам ЖТГЖТГ 8 типов ДС Обозначение ДС Пример ДС Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

14 Условное обозначение системы Название системы Пищевые массы Отрасль Т/Ж Лиозоли, суспензии Фруктовые соки, овощные пасты, диффузионный сок в производстве сахара, расплавленные шоколадные и конфетные массы Консервная, сахарная, производство безалкогольных напитков, кондитерская Ж/ЖЭмульсии Соус, теплое молоко, маргарин, майонез, пищевые кремы, десерты Молочная, масложировая, маргариновая Г/Ж Газовые эмульсии, пены Полупродукты бродильных производств, шипучие напитки, шампанские и игристые вина Пивоваренная, производство безалкогольных напитков Т/ТТвердые золи Мясо, рыба, колбаса, пралиновые конфеты, шоколадные массы Мясная, рыбная, колбасная, кондитерская Ж/Т Твердые эмульсии Жировые включения в тесто и кондитерские массы Кондитерская, хлебопекарная Г/Т Твердые пены Хлеб, пастила, сыр, зефир Кондитерская, хлебопекарная, производство сыра Т/ГАэрозоли Мука, крупа, крахмал, сахар-песок, ингредиенты комбикормов, сухое молоко, молотый кофе, какао-порошок Хлебопекарная, мукомольная, крупяная, комбикормовая, сахарная, кондитерская Ж/ГАэрозоли Сырье (зерно, плоды и др)Практически любая

15 В жидкой шоколадной массе: дисперсная фаза частицы сахарной пудры какао тертое (2 твердые фазы); дисперсионная среда жидкое какао-масло (1 жидкая фаза). В твердом шоколаде: дисперсная фаза какао-тертое пузырьки газа в пористом шоколаде (2 фазы – твердая, газ) дисперсионная среда твердое какао-масло (1 твердая фаза)

16 Классификация в зависимости от размеров частиц дисперсной фазы Грубодисперсные > см Микрогетерогенные – см Коллоидные растворы – см Истинные растворы < см В зависимости от диаметра частиц дисперсной фазы различают 4 типа ДС:

Классификация ДС по частным признакам Эти признаки характерны только для некоторых ДС. В основе частной классификации могут лежать: способы получения ДС, структурно-механические свойства, взаимодействие между дисперсной фазой и дисперсионной средой, устойчивость ДС и др.

18 Классификация ДС по взаимодействию между дисперсной фазой (ДФ) и дисперсионной средой (ДиС) (для систем с жидкой дисперсионной средой) Фрейндлих предложил разделить на два класса Лиофобные системы (гидрофобные) Лиофильные системы (гидрофильные) – системы, со слабым взаимодействием фаз. ДС не растворяется в ДиС. Эти системы термодинамически не устойчивы. Коллоидные растворы, Микрогетерогенные системы – системы, с сильным взаимодействием фаз. При определенных условиях ДФ может в растворятся в ДиС. Эти системы термодинамически устойчивы. Растворы коллоидных ПАВ, Растворы ВМС

19 4. Методы получения ДС

20 II. Поверхностные явления и свойства поверхностного слоя

21 ДФ и ДиС относятся к различным фазам, имеющим различные свойства, строение и состав, поэтому на границе раздела возникают поверхностные явления. Поверхностные явления – процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое, и возникающие в результате их взаимодействия. Поверхность раздела фаз – это граничная область между фазами, конечный по толщине слой, в котором происходит изменение свойств от значений, характерных для одной фазы, до значений, характерных для другой. На поверхности раздела фаз формируется поверхностный слой.

22 1. Поверхностное натяжение Ж Г σ жк Молекулы поверхностного слоя находятся в нескомпенсированном силовом поле и поэтому обладают большей поверхностной энергией, чем молекулы в объёме фаз. Граница раздела (поверхностный слой) Из-за этой нескомпенсированности молекулы с поверхности втягиваются в глубь жидкости. Поэтому возникает сила ( σ жк ), действующая по касательной к поверхности раздела фаз => поверхность сокращается до минимума. Это явление получило название поверхностного натяжения.

G 12 = σ 12 S Величина поверхностной энергии тем больше, чем больше площадь свободной поверхности. Поверхностная энергия - энергия, сосредоточенная на границе раздела фаз и избыточная по сравнению с энергией в объеме.

24 Определение 1 Поверхностное натяжение – это избыток поверхностной энергии, приходящийся на 1 см 2 (1 м 2 ) поверхностного слоя. Обозначение и размерность: σ 12 или σ ж/г

25 Определение 2 Поверхностное натяжение - это работа, которую нужно совершить в обратимых и изотермических условиях, чтобы получить 1 см 2 (1 м 2 ) поверхности раздела фаз. S см 2 (S+1)см 2 На дробление затрачивается работа A

26 Определение 3 Поверхностное натяжение - это сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность раздела фаз. Каркасы Плато

27 2. Факторы, влияющие на поверхностное натяжение жидкостей Природа граничащих фаз Химическая природа вещества Температура Наличие примесей Кривизна поверхности жидкости

28 Влияние природы граничащих фаз на поверхностное натяжение Согласно определения 2, чем сильнее межмолекулярные связи в теле, тем больше его σ на границе газовой фазы. Ф1 Межмолекулярные взаимодействия Ф2 Слабые Сильные Типы границ раздела: Т/Т, Т/Ж, Т/Г, Ж/Ж, Ж/Г.

29 Пример. Сравнить поверхностное натяжение на границе фаз: Бумага Воздух Ртуть Воздух Сталь Воздух σ воздух/бумага σ воздух/ртуть σ воздух/сталь <<

30 Влияние химической природы веществ на поверхностное натяжение Чем интенсивнее силовое поле вблизи поверхности жидкости (т.е. чем сильнее силы межмолекулярного взаимодействия), тем больше поверхностное натяжение жидкости. Неполярные молекулы октана Полярные молекулы воды Ионы ртути, связанные металлической решеткой σ воздух/октан σ воздух/вода σ воздух/ртуть << Поверхностное натяжение меньше у неполярных жидкостей (со слабыми межмолекулярными связями) и больше у полярных (с сильными межмолекулярными связями).

31 При повышении температуры уменьшается межмолекулярное взаимодействие, поэтому поверхностное натяжение уменьшается: Влияние температуры на поверхностное натяжение Где σ Т и σ 0 – поверхностное натяжение при температуре Т и стандартной температуре (298К) соответственно; Т – разность между данной и стандартной температурами; а – постоянная, равная температурному коэффициенту поверхностного натяжения, взятого с обратным знаком.

32 При T, Р = const самопроизвольно протекают процессы, для которых ΔG < 0 * * * В поверхностном слое 2 х фазной системы: снижение энергии Гиббса может быть достигнуто за счет уменьшения: - поверхности раздела фаз (S) или - поверхностного натяжения (G) 3. Самопроизвольные процессы в поверхностном слое ΔG = σ 12 Δ s 12 + s 12 Δσ 12 < 0, Дифференцируя σ 12 = G 12 / S 12, получаем

Поверхностные явления как результат уменьшения поверхности раздела фаз То есть, если G 12 = const, то ΔS 12 < 0 Если поверхностное натяжение на границе фаз не меняется, то в поверхностном слое протекают только те процессы, которые уменьшают площадь поверхности раздела фаз. Примеры 1. Слияние капель в эмульсиях (коалесценция). 2. Укрупнение частиц твердой ДФ за счёт мелких (коагуляция). 3. Капли жидкости в невесомости принимают форму шара, так как эта фигура при данном объёме имеет минимальную площадь поверхности.

34 Если площадь поверхности раздела фаз не меняется, то в поверхностном слое протекают только те процессы, которые снижают поверхностное натяжение на границе фаз 3.2. Поверхностные явления как результат уменьшения поверхностного натяжения То есть, если ΔS 12 = const, то Δσ 12 < 0 Пример Адсорбция – процесс самопроизвольного концентрирования на поверхности раздела фаз веществ, способных понижать поверхностное натяжение.

35 Проявления поверхностного натяжения Образование мыльного пузыря Капли воды на траве Падающая вниз капля принимает форму шара Ягоды и плоды имеют округлую форму Монета лежит на поверхности воды Водомерка на воде

Свободная энергия и ее проявления 36