Zaytsev ó, a kémiai tankönyv, a "kémia" folyóirat № 15
A KÖZÉPFOKÚ TEVÉKENYSÉGEKET,
A PEDAGÓGIAI EGYETEM ÉS AZ OKTATÁSI TEVÉKENYSÉGEK 9-10 OSZTÁLYA,
FENNTARTVA A KÉMIAI ÉS A TERMÉSZETI TUDOMÁNYRA
TEXTBOOK FELADATOK LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK TUDOMÁNYOS TÉMÁK OLVASÁSRA
A diszpergáló rendszerek olyan rendszerek, amelyekben kis anyagrészecskék vagy diszpergált fázisok vannak. homogén közegben (folyadék, gáz, kristály) vagy a diszperziós fázisban (8.25. ábra).
Ábra. 8.25. Diszpergált rendszer
A diszpergált fázis részecskeméretét diszperziók jellemzik. Attól függően, hogy a diszpergáló rendszerek nagyon diszperzív rendszerekre oszthatók. vagy valójában kolloid. és alacsony diszperziójú (durván szétszórt).
Az alacsony diszperziós rendszerek részecskemérete 10-3 mm vagy több. A nagymértékben diszpergált rendszerek szemcsemérete 10 -6-10-4 mm (1-100 nm) tartományban van, ami legalább egy nagyságrenddel nagyobb, mint a részecskeméret az igazi megoldásokban (10 -7 mm). Kémia diszperz rendszerek vizsgálatok az anyag viselkedését egy erősen töredezett, erősen diszpergált állapotban jellemzi egy nagyon magas aránya a teljes felszíni területének az összes részecskék a teljes térfogata vagy tömege (diszperziós fok).
A kolloid rendszerek nevéből származik egy külön kémiai mező - kolloid név. A "Colloid Chemistry" a diszpergáló rendszerek kémiai és a felszíni jelenségek hagyományos neve. Korábban a kolloidokat ragasztószerű anyagoknak nevezték, most már nagyon diszpergált rendszerek, amelyek egy nagyon fejlett fázisinterfészettel rendelkeznek. Az alábbiakban a régi hagyományos kifejezéseket fogjuk használni, megérteni a modern jelentést. Például a "kolloid oldat" alatt az anyagnak a diszperziós közegben a vízben diszpergált állapotát értjük.
Az anyag diszpergált állapotának legfontosabb jellemzője, hogy a rendszer energiája főként a fázisok felületén koncentrálódik. Az anyag diszpergálása vagy őrlése esetén a részecskék felületének jelentős növekedése (állandó teljes térfogattal). Ebben az esetben az őrlésre fordított energia és a felhalmozódott részecskék közötti vonzáserő leküzdése a felszíni réteg energiájává - a felszíni energiává alakul át. Minél nagyobb az őrlés mértéke, annál nagyobb a felszíni energia. Ezért a diszpergáló rendszerek (és a kolloid oldatok) kémiája a felszíni jelenségek kémiájaként tekintendő.
A kolloid részecskék olyan kicsiek (10-3-10 9 atomot tartalmaznak), hogy azokat nem hagyják hagyományos szűrők, nem láthatóak hagyományos mikroszkópban, nem gravitációs hatásúak. Az idővel való stabilitásuk csökken, azaz. ők "öregedésnek" vannak kitéve. A diszpergáló rendszerek termodinamikailag instabilak és általában a legalacsonyabb energiával rendelkeznek, amikor a részecskék felszíni energiája minimálisra csökken. Ezt úgy érik el, hogy a részecskék kibővített teljes felületét csökkentik (ami akkor is előfordulhat, ha más anyagok a részecskék felületén adszorbeálódnak).
Az anyag tulajdonságai a töredezett vagy diszpergált állapotban jelentősen különböznek az ugyanazon anyag diszpergált állapotától, azaz a nem diszpergált állapotától. szilárd vagy valamilyen folyadékmennyiség formájában.
Így a 20 ° C-os sík felület feletti vízgőz nyomása 2333 Pa, de 1 mm-es sugarú vízcseppek felett 0,003 Pa-nál nagyobb, és a sugár cseppjei
0,01 mm - 0,3 Pa. Kristályos alumínium-hidrát Al2O3 • 3H20 (vagy
Al (OH) 3) 200 ° C-on és nagyon finoman zúzott állapotban - 100 ° C-on A sósavas arany nem oldódik, de nagyon diszpergált állapotban könnyen oldódik fel. A CaSO4 vízben való oldhatósága
4.9 • 10 -3 mol / l, de a Ca 2+ 10-4 cm méretű CaS04 részecskékre emelkedik
1,5 • 10-3 mol / l.
Mivel a kis részecskék felületi energiája nagyobb, mint a nagyobb, termodinamikai tulajdonságaik eltérnek egymástól. Így a legkisebb kristályok oldhatósága nagyobb, mint a nagy kristályoké, és az anyagot a nagy diszpergált fázisból kevésbé diszpergált fázisba viszik át, azaz nagy kristályok nőnek feloldva a kicsi. Ebben a spontán folyamatban
G <0.
A kis csepp fölötti gőznyomás magasabb, mint a nagy, és a kis cseppek kis párolgás következtében nőnek (8.26. Ábra). Ezért esőcseppek formálódnak a felhőkben, a hópelyhek ugyanúgy nőnek.
Ábra. 8.26.
A nagyon diszpergált anyag átvitelének rendszere
alacsony diszperziójú
A diszpergált állapotban lévő anyag általában más anyagokat szív el. A cseppekben lévő gázok oldhatósága nagyobb, mint egy nagy térfogatú folyadékban. Annak a ténynek köszönhetően, hogy az oxigén oldhatósága a vízcseppben magas, a vas korróziója szennyezettség nélkül is más anyagok vasában (8.27. Ábra). A vas felszínén lévő vízcseppek alatt a korrózió elsősorban a cseppek élein jelentkezik, ahol az oxigén oldhatósága nagyobb.
Ábra. 8.27.
Vas korróziós rendszer
kis csepp víz alatt
Számos osztályozások diszpergált rendszerek: a részecskeméret, a fázis a diszpergált fázis és a diszperziós közeg, a természet a diszperz fázis részecske kölcsönhatás az anyaggal a diszperziós közegben a termodinamikai és kinetikai stabilitását diszperz rendszerek, stb
A diszpergáló rendszerek besorolását a diszpergált fázis és a diszperziós fázis állapotára vonatkozóan a táblázatban adjuk meg.
Diszpergáló rendszerek osztályozása
Ötvözetek, színes üveg, ásványi anyagok
Nagy határfelületi felületi okoz komoly a szemcsék közötti kölcsönhatások a diszpergált fázis a diszperziós közeg, amely vezet az a tény, hogy a diszperz fázis részecskéi körül a molekulák és ionok és a diszperziós közeg (oldószer) vagy válnak igen jelentős elektromos töltés.
Bármilyen két anyag a kontakt felületen szükségszerűen kölcsönhatásba lép. Ez lehet egy kémiai reakció, egy kölcsönhatás, melyet az egyik anyag átjut a másikba, és megáll egy bizonyos egyensúlyi állapot elérésekor, egy anyag héjának kialakulása egy másik részecske körül és még sok más. A diszpergált fázis és a diszperziós közeg is kölcsönhatásba kerül, de az interakció mértéke eltérő lehet.
Ereje által kölcsönhatás a diszpergált fázis a diszperziós közeg kolloid rendszerek részesedése liofil (a görög -. Oldjuk - hasonlók) és liofil (a görög -. Fear). Ezek a nevek azt jelzik, hogy a kölcsönhatás a liofil kolloid rendszerek a részecskék az anyag és a diszperziós közeg erősebb, mint liofil.
Liofil diszperz rendszerek jellemzi erős vonzerőt, hogy a molekulák a diszpergáló közeg a diszpergált fázis részecskéi. Sűrű és viszonylag stabil szolvátkagylók spontán formálódnak a részecskék körül. A vízzel való kölcsönhatás molekulákkal jelzik hidrofil diszpergált fázis és a kialakulását hidrát kagyló. Ha a részecskék vannak elosztva az olaj-szerű szerves anyagok, és ezeket körülveszi membránok, beszélni oleofil részecskék. A liofil anyagok (testek) egy adott folyadékban feloldódnak, duzzadnak benne vagy jól nedvesek.
Liofil koloidákban a részecskefelület nagymértékben szolvatált, és a felületi energia (felületi feszültség) a felületen kicsi. Lyófiás kolloidok képződnek a szilárd anyag vagy a folyékony cseppecskék nagy részecskéinek spontán diszpergálásaként kis kolloid részecskék (vagy micellák) formájában. A liofil koloidák termodinamikailag stabilak, ezért szinte egyáltalán nem szöknek össze a képződés állandó körülményei között.
A liofil rendszerek spontán formálódnak folyadékban elektrolitok vagy felületaktív anyagok részvételével. Így a hidrofil rendszerek zselatint és keményítőt képeznek, amely először vízben megduzzad és átjut az oldatba (zselé, csokoládé, keményítő ragasztó); Az albuminok, beleértve a tojásfehérjét is, feloldódnak vízben; A természetes gumi könnyen feloldható a benzinben (gumi ragasztó). A liofilek kolloid rendszerek a szokásos szappanok vízben oldhatók.
A diszpergáló rendszerek legfontosabb jellemzője a részecskeköltség jele és nagysága. Fagyasztva szárított kolloid részecskék esetében a töltés nagyon kicsi vagy nem létezik. A fagyasztva szárított kolloid részecskéinek töltése nagyon egyszerűen kis mennyiségű elektrolit hozzáadásával változik. A hidrogénionok koncentrációjának változása az oldatban (pH) a kolloid oldat részecskéinek töltéscseréjéhez vezet. Elektromos térben a liofil kolloidok sem mozognak, sem mozognak semmilyen irányba.
A diszperziós közeg molekuláinak gyenge kölcsönhatása a diszpergált fázis részecskéivel liofób rendszerek kialakulásához vezet. Ha a diszperziós közeg víz, akkor azt mondják, hogy a rendszer hidrofób, ha a szerves olajszerű anyagok oleophobicak. A liofil anyagok (testek) részecskéi nem oldódnak, gyengén nedvesek és nem duzzadnak a diszperziós közeg anyagában. Az 1% feletti diszpergált fázisú koncentrációjú liofób rendszerek nem nyerhetők, és a liofil kolloid rendszerek nagyon koncentrálódhatnak.
A rendszer liofilizációját vagy liofilizációját az oldódás, duzzadás és nedvesedés során felszabaduló hő mennyisége alapján lehet megítélni. A liofil rendszerekben a kölcsönhatás hője sokkal nagyobb, mint a liofileké.
A sima felületen a liofil anyag folyadék cseppecskéket terjed ki, amely egy vékony réteg (film), és a cseppek nem terjedt a felületen liquophobic képező lencse vagy lapított labdát. A kvantitatív mértéke vagy liofil lehet közötti szög a csepp és a test felszínen nedvesíthető (peremszög vagy nedvesítő szög).
A viszkozitású liofób kolloid rendszerek közel vannak a diszperziós közeghez, a liofil rendszerek magasabb viszkozitást mutatnak.
A liofil kolloid oldatok gyengék a fényt, mint a liofil oldatok.
Tipikus liofil anyagok a fémes elemek oxidjai vagy szulfidjai.
A liofil és liofil kolloid rendszer alapvető különbsége a termodinamikai tulajdonságok. A liofób rendszerek heterogének, és ebben a tekintetben nem tulajdoníthatók igaz megoldásoknak. A liofil rendszerek egyfázisúak, homogének, sok tulajdonsággal bírnak a valódi megoldásokban. A magas felszíni energia miatt a liofilizált rendszerek termodinamikailag és kinetikusan instabilak. A liofil rendszerek termodinamikailag stabilak.
A liofilizált kolloidok bomlása során a kolloid részecskék megnagyobbodnak, amit a rendszer energiájának csökkenése kísér. Képes ellenállni durvul részecskék (aggregált stabilitás) a rendszer egy liquophobic időleges és gyakran jelenléte miatt az anyagok (stabilizátorok) adszorbeálva a részecske felületén, és megakadályozza, hogy a ragasztás (vagy összeolvad).
A "szilárd folyadék" típusú durva diszpergált rendszereket, amelyek viszonylag nagy (több mint 1-től 10-3 mm-ig terjedő) részecskéi vannak, szuszpenzióknak nevezik. vagy szuszpenziók. A szuszpenziók részecskéi nem mutatnak Brownian mozgást. Olyan szuszpenziók, amelyek sűrűsége nagyobb, mint a diszperziós közeg csapadék sűrűsége; ha sűrűsége kisebb, a részecskék lebegnek.
A természetes tározók vízzavarosságát mind a finoman eloszlatott, mind a durva szennyeződések okozzák (gabona, agyag, növényi és állati organizmusok bomlása). Amikor az alsó üledék zavaros a tengerben vagy az óceánban, felmerülnek az alsó felfüggesztési áramok (zavarossági áramok), amelyek több száz kilométeres sebességgel mozognak 90 km / h sebességig. A zavar a nagy áramlási sebességű vízáramokban rejlik.
A természetes vizek legnagyobb zavarossága miatt a részecskék koncentrációja eléri az 1 g / l-t. A természetes víz zavarosságát (vagy az átlátszóság inverz értékét) a víz elpárologtatása határozza meg, a száraz maradékot 105 ° C-on szárítjuk és mérjük. Sokkal könnyebb felmérni a vízoszlop magasságának zavarosságát, amelyen fehér porcelánlemezen 1 mm-es vonal vastagságú fekete kereszt látható. A háztartási vízben a keresztet legalább 3 m mélységben kell megtekinteni.
Az agyag egy finoman eloszlatott üledékes kő, amelyben 30-70% SiO2 áll. 10-40% Al2O3 és 5-10% H2O Az agyagrészecskék mérete nem haladja meg a 0,01 mm-t (nagyobb agyagrészecskék haladnak a homokban). A vízben lévő agyag szuszpenziót, amelyet úgynevezett "agyag oldat" -nak neveznek mosófolyadékként fúrás közben, és kenőanyagként a súrlódás csökkentésére a csövek forgatásakor a kútokban.
A rendkívül koncentrált agyag szuszpenzió tésztát képez vízzel, amely megkaphatja a kívánt alakot, sütés és tégla után vagy más termék elkészítése után. A porcelán a kaolinit Al4 [Si4O10] (OH) 8 porok keverékéből készül. kvarc Si02. felszalag (kálium, nátrium, kalcium, bárium-oxid szilikátok). A port vízzel összekeverjük, hogy sűrű műanyagot kapjunk, amely a kívánt formát kapja, szárítjuk és lőttük.
A szilikátok és a kalcium-aluminátok égetésével kapott cementpor, miközben vízzel keverve keveredik, szilárd kőszerű testré szilárdul meg.
Vér - a legfontosabb az emberi életben és sok állatnál az eritrociták, a leukociták és a vérlemezkék szuszpenziójában (nyirok). Az eritrociták - a vörösvérsejtek - oxigént és széndioxidot hordoznak, átmérőjük van
(7,2-7,5) • 10 -2 mm, és 1 mm 3 vérük 4,5-5 millió.
Mivel a szemcseméretek viszonylag nagyok, a szuszpenziók kinetikusan instabilak, és az üledékképzés során a részecskék kicsapódnak. A szuszpendált részecskék gravitációs hatásának elválasztására szolgáló eljárást sedimentációnak nevezik. vagy kicsapódás. A süllyedés kezdetekor a legnagyobb részecskék esnek ki. A részecske lerakódás mértéke függ a fázisok sűrűségétől, a folyadékfázis viszkozitásától, a részecske sugarától, a hidrofilitás mértékétől, a felületaktív anyagok jelenlététől és más tényezőktől.
A részecskék hidrofil vagy hidrofobicitása flotáción alapul - a kis részecskék különféle nedvesíthetőséggel történő elválasztása. A flotációs módszerrel való feldúsulása ásványok hidrofób részecskék nem nedvesíthető összegyűlnek a felszínen, és a részecskéket beburkolják ásványi nedvesíthető hidrofil filmmel folyadék és aljára. Nedvesíthető részecskéket távolítják el a folyadék felületéről. Így válik az érc frakciókra osztva
(8.28. Ábra).
Ábra. 8.28.
Nem nedvesíthető részecskék elválasztása
és nedvesíthető ásványi anyagokat
A szemcseméret szerint a szuszpenziók és a valódi oldatok közbenső helyzetét a szolák foglalják el. A szolák nagymértékben diszperzív rendszerek, amelyek szilárd anyag részecskékkel rendelkeznek, amelyek a Brownian mozgásban találhatók. A leggyakoribb szolek a folyékony diszperziós közeggel rendelkező rendszerek. Zoli - tipikus kolloid rendszerek, amelyek leginkább kimutatják az anyagban rejlő tulajdonságokat egy nagyon diszpergált állapotban.
A diszpergált rendszerek vizsgálatára szolgáló módszerek (a részecskék méretének, alakjának és töltésének meghatározása) a heterogenitás és a diszperzió, különösen az optikai tulajdonságok miatt jellemző tulajdonságaik vizsgálatán alapulnak. A kolloid oldatok olyan optikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek megkülönböztetik őket a valódi megoldásoktól - elnyelik és eloszlatják az általuk áthaladó fényt. Amikor nézve oldalirányban eloszlassa rendszer, amelyen keresztül a keskeny fénysugár az oldaton belül egy sötét háttér látható fényes kékes nevezett Tyndall kúp (ábra. 8.29). Ugyanez történik, amikor észreveszünk a poros szobában egy fényes napsugárzást az ablakon. Ezt a jelenséget opálosságnak nevezik.
Ábra. 8.29.
A Tyndall-hatás (opálosodás)
A fényszórás akkor lehetséges, ha a méret a kolloid részecskék kisebb, mint a hullámhossz a továbbított fény és a törésmutatója a diszpergált fázis és a diszperziós közeg eltérő. Méretei kolloid részecskék mérete kisebb, mint a hullámhossz a látható spektrum (körülbelül 0,1-0,2 fény hullámhossza), és az újból felvett fényenergia által kibocsátott részecskék különböző irányokba, így a diszperzió a fény. A fényszóródás intenzitása élesen növekszik a hullám hullámhosszának csökkenésével.
A Tyndall kúp világosabb, annál nagyobb a koncentráció és annál nagyobb a részecskeméret. A fényszóródás intenzitása rövid hullámú sugárzással növekszik, és a diszpergált és diszpergáló fázisok törésmutatóiban jelentős különbség van. A részecskeátmérő csökkenésével az abszorpciós maximum a spektrum rövid hullámú része felé mozog, és a nagymértékben diszpergáló rendszerek rövidebb fényhullámokat szétszórnak, és így kékes színűek. A részecskék méretének és alakjának meghatározására szolgáló módszerek fényszórási spektrumokon alapulnak.
Méretek szol részecskék jellemzően 10 -3 -10 -5 mm, amely lehetővé teszi számukra, hogy részt vegyenek a Brown-mozgás - folyamatos mozgást kuszált legkisebb részecskék a folyadék vagy gáz (ábra 8.30.).