1 КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

2

3 Коллоидная химия – это наука о физико-химических свойствах дисперсных систем и процессах, протекающих на границах фаз. Коллоидная химия – это химия реальных тел, т.к. имеет дело с реальными объектами живой и неживой природы, всегда находящимися в дисперсном (раздробленном) состоянии.

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 I. Дисперсные системы, их классификация и характеристики Дисперсные системы (ДС) – это гетерогенные системы, состоящие как минимум из двух фаз, в которых хотя бы одно вещество находится в раздробленном состоянии (размер частиц от до см) и распределено в другом непрерывном веществе. Дисперсные системы дисперсная фаза дисперсионная среда Раздробленная фаза Раздробленная фаза Сплошная (непрерывная) среда

Раствор сахара в воде Чаинки в воде Сваренный кофе Гомогенная система Гетерогенные системы

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

8 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). Вывод: Чем мельче частицы, тем дисперсность, тем удельная поверхность S уд = [см -1, м -1 ] выше больше Для сферических частиц

9 0,05 м 2 5 м м 2

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

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

12 Дисперсность влияет на: 1. Скорость физико-химических процессов на границе раздела фаз сахарная пыль взрывоопасна, но кусок сахара не горит; топливо в двигателях внутреннего сгорания дробят на капли для лучшего сгорания; для получения сухого молока в сушильных аппаратах молоко сначала распыляют для увеличения площади поверхности кофе сначала размалывают, а затем варят костер разжигают небольшими щепками сахар-песок растворяется лучше сахара в комочках 2. Равновесие химической реакции ( при дисперсности, активность вещества => направление реакции зависит от дисперсности исходных веществ или продуктов реакции)

Вывод: дисперсные системы характеризуются свойствами поверхности (а не фазы) и для них важны процессы, протекающие на поверхности, а не в объеме фазы. 13

Ж Г σ жк Свойства молекул на поверхности раздела фаз (А) отличаются от свойств молекул в объеме (В): 1. Молекула В окружена себе подобными => силы, действующие на нее со всех сторон скомпенсированы; 2. Для молекулы А со стороны жидкости взаимодействие соседних молекул больше, чем со стороны газа => способность к взаимодействию реализуется не полностью, а значит появляется нескомпенсированность. Граница раздела (поверхностный слой) Мерой этого избытка энергии, является поверхностное натяжение σ (сигма). А В Вывод: Частицы, находящиеся на границе раздела фаз, обладают избытком свободной энергии по сравнению с такими же молекулами, находящимися внутри фазы.

Особенности дисперсных систем: Гетерогенность Раздробленность (дисперсность) Наличие огромной удельной поверхности Избыток поверхностной энергии, которая характеризуется поверхностным натяжением ДС являются термодинамически неустойчивыми, т.к их образование сопровождается увеличением свободной энергии (требует затрат энергии извне) ДС являются чрезвычайно реакционно способными, т.к. имеют большой запас поверхностной энергии Отсутствует строгая воспроизводимость ДС 15

16 2. Классификация ДС 2.1. Классификация ДС по общим признакам ЖТГЖТГ 8 типов ДС Обозначение ДС Пример ДС Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

17 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

18 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)

Классификация в зависимости от размеров частиц дисперсной фазы Грубодисперсные > см Микрогетерогенные (тонкодисперсные) – см Коллоидно-дисперсные (высокодисперсные) – см Истинные растворы < см В зависимости от диаметра частиц дисперсной фазы различают 4 типа ДС: Сахар, пены Растворимый кофе Сок растений

Классификация по геометрической форме частиц дисперсной фазы Дисперсная фаза Схема измерений Пищевые массы Вид Характеристика Трехмерные Твердые частицы, капли, пузырьки Крупа, мука, сахар-песок, комбикорма, молоко, майонез, шипучие напитки Двухмерные Нити, волокна, капилляры, поры Хлеб, сухари, макароны, мясо Одномерные Пленки, мембраны Пленки жира, жидкие пленки на поверхности твердых и жидких тел, мембраны

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.

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. ДФ не растворяется в Ди Ср. Системы термодинамически не устойчивы, их образование не самопроизвольно. Коллоидные растворы, Микрогетерогенные системы – системы, с сильным взаимодействием фаз. При определенных условиях ДФ может растворятся в Ди Ср. Системы термодинамически устойчивы, образуются самопроизвольно. Растворы коллоидных ПАВ, Растворы ВМС

Классификация ДС по оптическим характеристикам По способности рассеивать свет пищевые массы можно условно разделить на три группы: По способности рассеивать свет пищевые массы можно условно разделить на три группы: Слаборассеивающие Среднерассеивающие Сильнорассеивающие тесто, мармелад, овощи, фрукты хлебобулочные изделия, мясо, рыба мука, сахарная пудра, крахмал, пастила

Классификация ДС по взаимодействию между частицами дисперсной фазы (по структурно-механическим свойствам) Свободнодисперсные (бесструктурные) Свободнодисперсные (бесструктурные) Связнодисперсные (структурированные) Связнодисперсные (структурированные) Сок с мякотью системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом, поэтому не образуют сплошных структур (сеток, каркасов). системы, в которых частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом, поэтому не образуют сплошных структур (сеток, каркасов). системы, в которых частицы ДФ связаны друг с другом, образуя в дисперсионной среде пространственные сетки или каркасы (структуры). системы, в которых частицы ДФ связаны друг с другом, образуя в дисперсионной среде пространственные сетки или каркасы (структуры). Пасты, студни