Репетиционные тесты по коллоидной химии (стр. 2 )

Партнерка на США и Канаду по недвижимости, выплаты в крипто

30% recurring commission
Выплаты в USDT
Вывод каждую неделю
Комиссия до 5 лет за каждого referral

WA /sЖ/Г = (1 + cosq),

WA /2sЖ/Г = (1 + cosq)/2,

и, так как WC = 2sЖ/Г, то

WA/WC = (1 + cosq)/2.

(1.7а)

Если q → 0, то cosq → 1 и WA = WC и наблюдается смачивание поверхности и растекание жидкости; q → 90, то cosq → 0 и WA = 1/2WC и наблюдается несмачивание поверхности. Следовательно, условием смачивания поверхности является соотношение WA > 0,5WC.

Для улучшения смачивания следует уменьшать sЖ/Г, т. е. использовать поверхностно-активные вещества или органические растворители или увеличивать энергию когезии за счет обеспечения лучшего межмолекулярного взаимодействия. Например, вода хорошо смачивает стекло, алюмосиликаты, ионные кристаллы и другие поверхности, несущие ионы или образующие их в процессе гидратации. В этих случаях ион-дипольное взаимодействие (WA) больше диполь-дипольного взаимодействия между молекулами воды (WC). В то же время вода не смачивает парафин и другие неполярные вещества. Гептан, этиловый спирт, бензол и другие жидкости с малыми значениями поверхностного натяжения sЖГ и работой когезии WC смачивают практически любые твердые поверхности. Напротив, ртуть, имеющая большое поверхностное натяжение, не смачивает твердые поверхности.

В основе флотации лежит процесс избирательного смачивания; основные виды флотации – пенная, масляная и пленочная. Флотация исключительно важна в горнодобывающей промышленности, поскольку позволяет экономично отделять руду от измельченной пустой породы. Наибольшее распространение получила пенная флотация. Измельченную породу, содержащую рудные включения, перемешивают с водой для получения густой суспензии (пульпы), через которую непрерывно снизу вверх пропускают поток пузырьков воздуха. Добавление специальных пенообразователей создает условия для образования в пульпе пены с очень большой суммарной площадью поверхности границы раздела вода – воздух. Частицы руды, содержащие чистые металлы или их сульфиды (вещества неионогенной природы), смачиваются водой хуже, чем частицы пустой породы (кварц, алюмосиликаты). Поэтому частицы руды «прилипают» к пузырькам пены, всплывают вместе с ними и собираются в специальном отстойнике.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В процессе масляной флотации вместо пены используют эмульсию, и частицы руды всплывают с капельками масла. При пленочной флотации измельченные частицы высыпаются на непрерывно движущуюся поверхность воды. Частицы, хорошо смачиваемые, тонут, тогда как плохо смачиваемые остаются на поверхности раздела вода – воздух, и далее снимаются с движущейся поверхности при помощи специальных устройств.

Таким образом, все виды флотации не различаются принципиально между собой и основываются на различиях в значениях краевого угла смачивания для частиц различной химической природы.

Адсорбция – самопроизвольное концентрирование вещества в поверхностном слое гетерогенной системы в результате перехода из объема фазы.

Адсорбция наблюдается на поверхностях раздела твердое тело – газ, твердое тело – жидкость, жидкость – газ.

Адсорбент – твердое вещество, на поверхности которого происходит адсорбция; адсорбат – вещество, концентрирующееся на границе фаз.

Физическая адсорбция происходит в результате уменьшения поверхностной энергии системы. Химическая адсорбция (хемосорбция) происходит при взаимодействии адсорбента и адсорбата.

Положение адсорбционного равновесия определяется притяжением молекул к поверхности (адсорбция) и тепловым движением молекул, восстанавливающим равенство концентраций в поверхностном слое и объеме фазы (десорбция).

Зависимость количества адсорбированного вещества от равновесной концентрации (давления для газов) при постоянной температуре изображают графически и называют изотермой адсорбции (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид изотермы адсорбции

Адсорбция – экзотермический процесс, поэтому при понижении температуры ее величина увеличивается.

Количественной мерой адсорбции на границе раствор – пар является поверхностный избыток Г (гамма), равный числу молей растворенного вещества в поверхностном слое. Количественное соотношение между адсорбцией (поверхностным избытком) растворенного вещества и изменением поверхностного натяжения раствора с ростом концентрации раствора определяет изотерма адсорбции Гиббса:

(1.8)

где – поверхностная активность вещества.

На рис. 3 представлены три возможных зависимости поверхностного натяжения от концентрации раствора (изотермы поверхностного натяжения). Вещества, добавление которых к растворителю уменьшает поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными (ПАВ), вещества, добавление которых увеличивает или не изменяет поверхностное натяжение, – поверхностно-инактивными (ПИАВ).

Рис. 3. Зависимость величины поверхностного натяжения от концентрации – изотермы поверхностного натяжения:

1 и 2 – поверхностно-инактивные вещества;

3 – поверхностно-активное вещество

Поверхностную активность g определяют графически по изотерме поверхностного натяжения: tga = ds/dC.

Зависимость поверхностного натяжения от концентрации для ПАВ описывается эмпирическим уравнением Шишковского:

(1.9)

где s – поверхностное натяжение раствора;

s0 – поверхностное натяжение растворителя;

а и b – эмпирические постоянные.

Молекулы большинства ПАВ обладают дифильным строением, то есть содержат как полярную группу, так и неполярный углеводородный радикал. Расположение таких молекул в поверхностном слое энергетически наиболее выгодно при условии ориентации молекул полярной группой к полярной фазе (полярной жидкости), а неполярной – к неполярной фазе (газу или неполярной жидкости). При малой концентрации раствора тепловое движение нарушает ориентацию молекул ПАВ; при повышении концентрации происходит насыщение адсорбционного слоя и на поверхности раздела фаз образуется слой «вертикально» ориентированных молекул ПАВ (рис. 4). Образование такого мономолекулярного слоя соответствует минимальной величине поверхностного натяжения раствора ПАВ и максимальному значению адсорбции Г (рис. 5); при дальнейшем увеличении концентрации ПАВ в растворе поверхностное натяжение и адсорбция не изменяются.

раствор

Рис. 4. Предельная ориентация молекул ПАВ

в поверхностном слое

Рис. 5. Ориентация молекул ПАВ при малых концентрациях и неполном заполнении поверхности.

Исследуя поверхностное натяжение водных растворов органических веществ, Траубе и Дюкло установили для гомологических рядов поверхностно-активных веществ следующее эмпирическое правило:

В любом гомологическом ряду при малых концентрациях удлинение

углеродной цепи на одну группу СН2 увеличивает поверхностную

активность в 3–3,5раза (в среднем 3,2).

Измеряя поверхностную активность и адсорбцию, можно определить параметры адсорбционного слоя:

S0 – площадь, занимаемую одной молекулой;

d – толщину адсорбционного слоя:

	, (м2);	(1.10)
	, (м),	(1.11)

где NA – число Авогадро 6,02×1026 кмоль;

Г¥ – емкость монослоя, кмоль/м2;

М – молярная масса ПАВ, кг/кмоль;

r – плотность ПАВ, кг/м3.

Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра для процессов адсорбции на твердой поверхности основывается на следующих положениях.

1 Адсорбция является локализованной.

2 Адсорбция происходит не на всей поверхности адсорбента, а на активных центрах, которыми являются выступы либо впадины на поверхности адсорбента, характеризующиеся наличием свободных валентностей.

3 Каждый активный центр способен взаимодействовать только с одной молекулой адсорбата; в результате на поверхности может образоваться только один слой адсорбированных молекул.

4 Процесс адсорбции является обратимым и равновесным.

Уравнение изотермы мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра связывает величину адсорбции и концентрацию адсорбата С: