Лекции по коллоидной химии (стр. 7 )

ФЛОТАЦИЯ В основе флотации лежит процесс избирательного смачивания. Флотация позволяет экономично отделять измельченную руду от пустой породы. Флотация бывает пенная, масляная и пленочная. Пенная флотация. Измельченную горную породу перемешивают с водой для получения суспензии. Через суспензию снизу вверх пропускают поток пузырьков воздуха.

В суспензию добавляют пенообразователи. Частицы руды, содержащие чистые металлы или их сульфиды (неионогенные вещества) хуже смачиваются водой, чем пустая порода (кварц, алюмосиликаты). Поэтому частицы ценной породы прилипают к пузырькам пены, всплывают вместе с ними и собираются в специальном отстойнике. При масляной флотации вместо пены используют эмульсию. Частицы руды всплывают вместе с капельками масла.

При пленочной флотации измельченные частицы высыпаются на непрерывно движущуюся поверхность воды. Хорошо смачиваемые частицы тонут, плохо смачиваемые остаются на поверхности раздела вода-воздух и далее снимаются с поверхности при помощи специального устройства. Современная теория флотации показывает, что флотируемость достижима при любых 0. Важно, чтобы флотационная сила была больше силы тяжести.

Сила тяжести пропорциональна кубу радиуса, а флотационная – линейному размеру частицы. Т. о. всегда можно подобрать необходимую степень измельчения руды. Разницу в смачивании пустой породы и ценного минерала можно повысить, модифицируя поверхность при помощи ПАВ. АДСОРБЦИЯ НА ГРАНИЦЕ ЖИДКОСТЬ-ГАЗ Адсорбция-это изменение концентрации компонента в поверхностном слое по сравнению с объемной фазой, отнесенное к единице площади поверхности (моль/м2). Молекулы ПАВ в воде после перемешивания распределены равномерно. Затем вследствие меньшей полярности молекул ПАВ они самопроизвольно переходят в поверхностный слой до тех пор, пока уменьшение  не скомпенсируется встречным процессом диффузии. Для разбавленных растворов используется ур-е Гиббса Г= с – равновесная концентрация растворенного вещества в объеме раствора.

Кривые Г=f(c) для ПАВ. Определение ПАВ, примеры. Вещества, повышающие  при растворении, называются поверхностно-инактивными (в воде это вещества, диссоциирующие на ионы, более полярные, чем вода). ПАВ накапливаются в поверхностном слое, а ПНАВ удаляются из него. Объяснить это можно следующим образом. Молекула спирта ROH, находящаяся на поверхности, втягивается в объем воды слабее, чем молекулы воды, т. к. взаимодействие ROH-вода слабее, чем между молекулами воды. Ионы втягиваются в объем воды сильнее, чем молекулы воды, к этому еще добавляется кулоновское взаимодействие между ионами. Поэтому поверхностный слой обедняется электролитом. Поверхностная активность, выражаемая как возрастает в гомологическом ряду в 3-3,5 раза при удлиннении углеводородной цепи на одно звено (правило Траубе).

Кривые Г-с называются изотермами адсорбции. С ростом концентрации ПАВ одного и того же гомологического ряда адсорбция возрастает сперва резко, а затем достигает некоторого постоянного предельного значения Г&#61605;. Постоянство Г&#61605; для гомологического ряда означает, что на единичной площади поверхности размещается одинаковое количество молекул. Ленгмюр объяснил это образованием мономолекулярного слоя, в котором полярная группа обращена в полярную фазу (воду), а углеводородный радикал - в неполярную (воздух). При малых концентрациях ПАВ ув цепи плавают по поверхности, при увеличении концентрации – приобретают вертикальное положение. Возникает слой с плотнейшей упаковкой молекул ПАВ, при этом площадь, занимаемая одной молекулой соответствует площади полярной группы, которая постоянна для гомологического ряда. Изотерма Ленгмюра выведена в 1917 г. Она справедлива для любой границы, а не только для границы жидкость-газ. Г= Г&#61605;, где b - константа, выраженная через отношение констант скоростей адсорбции и десорбции. При bc<<1 Г= Г&#61605; bc, т. е. уравнение адсорбции соответствует закону Генри. При bc>>1 Г= Г&#61605;. Зная Г&#61605;, можно найти площадь, занимаемую одной молекулой ПАВ S0=1/ Г&#61605;N, или длину молекулы h= ГМ/&#61554;.

Также как b увеличивается в 3-3,5 раза с ростом ув цепи на группу –СН2- (правило Траубе). Для перевода каждой группы –СН2- из поверхностного слоя в объемную фазу нужно затратить &#61627;3 кДж/моль, это работа раздвижения диполей воды на величину объема СН2-группы. Постоянная разность работ адсорбции двух соседних членов гом ряда первращается под знаком логарифма в постоянное отношение (3-3,5). Еще до Ленгмюра к такому же выводу пришел Шишковский, который эмпирически получил уравнение &#61555;0-&#61555;=aln(1+bc). Где а= Г&#61605;RT. Связь между изотермой Гиббса и Шишковского была установлена Легмюром.

Лекция 9 Поверхностная энергия и поверхностное натяжение.

Поверхностный слой жидкости, соприкасающийся с другой средой, находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Эти особые условия возникают потому, что молекулы поверхностного слоя, в отличии от молекул внутренних слоев, подвергаются неодинаковому притяжению молекулами жидкости и газа. Каждая молекула внутри жидкости со всех сторон притягивается с одинаковыми силами соседними молекулами, расположенными на расстоянии радиуса сферы действия межмолекулярных сил, как показано на рис. У молекул поверхностного слоя (молекула 2) одна часть сферы действия межмолекулярных сил находится в жидкости, другая – в газовой фазе. Так как плотность газа меньше плотности жидкости, то силы притяжения молекул газа очень малы и равнодействующая всех сил притяжения будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь и, тем самым, сократить поверхность жидкости.

Этим объясняется шарообразная форма капли жидкости (шар имеет минимальную поверхность). При увеличении поверхности, например, при растяжении жидкой пленки, некоторое число молекул из внутренних областей жидкости переходит на поверхность. Этот переход молекул из равновесного состояния в особое состояние молекул поверхностного слоя требует затраты внешней работы. Работа, затрачиваемая на увеличение площади поверхности жидкости, переходит в потенциальную энергию молекул поверхностного слоя – поверхностную энергию. Поверхностная энергия, отнесенная к единице поверхности, называется поверхностным натяжением (ПН):

В единицах СИ поверхностное натяжение измеряется в Дж/м2 или Н/м, так как Дж=Н. м. Единица измерения ПН [Н/м] соответствует представлению о ПН как о силе, отнесенной к единице длины контура поверхности, направленной вдоль поверхности и стремящейся ее уменьшить.

Так как ПН определяется работой создания единицы площади поверхности, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей, то чем прочнее межмолекулярные связи, тем больше ПН жидкости (например, вода ПНводы=71,95 мН/м, бензол ПНбензола=28,2 мН/м при 25 0С). С повышением температуры ПН снижается, т. к. ослабляются межмолекулярные связи. Таким образом, поверхностная энергия – это прямое проявление межмолекулярных взаимодействий. Молекулы, находящиеся на поверхности жидкости или твердого тела испытывают воздействие неуравновешенных молекулярных сил, вследствие чего получают дополнительную энергию по сравнению с молекулами, которые находятся внутри жидкости или твердого тела. Проявляет себя поверхностная энергия как сила, которая стремится уменьшить площадь поверхности до минимально возможной величины.

В твердых телах подвижность молекул на поверхности отсутствует, поэтому поверхностная энергия здесь не может наблюдаться в виде поверхностного натяжения. Измерять поверхностную энергию можно лишь косвенными методами. Дополнительная свободная энергия на поверхности раздела двух конденсированных фаз называется межфазным натяжением. ПН и межфазное натяжение являются важными характеристиками, потому что они определяют ход важных технологических процессов.

Эти показатели важны для устойчивости дисперсий, суспензий, эмульсий и других дисперсных систем. Существует ряд независимых методов оценки ПН, среди которых различают статистические и динамические, косвенные и непосредственные.

Оценка ПН жидкостей из родственных характеристик Поскольку ПН есть проявление действия межмолекулярных сил, эта характеристика связана с другими свойствами, в основе которых лежит действие межмолекулярных сил, например, с энергией когезии.

Межфазное натяжение на поверхности раздела твердое тело-жидкость. Смачивание.

Капля жидкости на поверхности твердого тела может вести себя различно. Если жидкость смачивает твердое тело, то она стремится растечься по поверхности.

Контактный угол при этом равен 0 (рис. 6.2а), т. е. при полном смачивании =0, а cos =1. Краевой угол  является мерой смачивания. Он определяется как угол между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения трех фаз. Угол  отсчитывается в сторону жидкой фазы. В случае жидкости L2 (рис. 6.2б) тенденция к растеканию по поверхности менее выражена и угол 0900. В третьем примере жидкость не смачивает поверхность (рис. 6.2в) и контактный угол превышает 900. Жидкость стремится уменьшить площадь контакта с твердым телом.

Уравнение известно как соотношение Юнга-Дюпре, которое устанавливает условие равновесия сил, из которого можно определить ПН твердого тела или межфазное натяжение:

Поверхностные натяжения рассмотрены как силы, приложенные перпендикулярно к единице длины периметра смачивания и действующие по касательной к соответствующим поверхностям.

Смачиванию благоприятствует низкая свободная энергия поверхности раздела, высокая поверхностная энергия твердого тела и низкая свободная энергия поверхности жидкости.

и определяются экспериментально, а и расчетным путем. Величины их обычно неизвестны и чтобы их определить рассматривают молекулярные силы и их работу, определяющую значения всех.

При этом различают силы когезии (слипания) и адгезии (прилипания). Первые действуют между молекулами внутри фазы, вторые – в разных фазах. Работа когезии определяется как сила, необходимая для разрыва однородной объемной фазы, отнесенная к единице площади разрыва. Поскольку при этом образуется две новых поверхности жидкости.