где 
(14)
Определив значения Г для всех взятых участков кривой, строят изотерму адсорбции в координатах Г-С. По изотерме адсорбции Г=f(C) определяют значение Г¥ , рассчитывают S0 и d.
В отчете представить: графики изотерм поверхностного натяжения, адсорбции, таблицы экспериментальных и расчетных данных по адсорбции алифатических спиртов.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Что такое поверхностная активность?
2. В каких случаях величина поверхностной активности зависит: от природы полярной группы молекулы ПАВ; от природы и размеров неполярной (гидрофобной) части молекул ПАВ?
3. Как поверхностная активность вещества зависит от его молярной массы в пределах гомологического ряда? Дайте формулировку правила Траубе.
4. Методы определения поверхностного натяжения.
5. Как рассчитать толщину адсорбционного слоя и посадочную площадку молекул ПАВ, зная зависимость поверхностного натяжения от состава раствора?
Лабораторная работа № 4
СИНТЕЗ ГИДРОЗОЛЯ ГИДРОКСИДА ЖЕЛЕЗА (III), ИЗУЧЕНИЕ ЕГО КОАГУЛЯЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ
Цель работы
Синтез гидрозоля гидроокиси железа конденсационным методом; определение порога электролитной коагуляции золя и изучение зависимости его от заряда коагулирующего иона; определение защитного числа стабилизатора высокомолекулярного вещества (ВМВ).
Задачи работы
1. Приготовить заданный золь;
2. Провести коагуляцию тремя электролитами, содержащими ионы-коагуляторы разной величины заряда;
3. Вычислить пороги коагуляции для каждого электролита и их соотношения; сравнить коагулирующую способность электролитов;
4. Проверить выполнение правила Шульце-Гарди;
5. Изучить защитное действие желатина.
Оборудование и реактивы
1. Прибор для измерения мутности (фотоэлектроколориметр или нефелометр);
2. Электрическая плитка;
3. Коническая колба емкостью 250 мл;
4. Пробирки емкостью 20 мл;
5. 9 колб вместимостью 50 мл;
6. 4 бюретки вместимостью 25 мл;
7. 2% раствор FeCl3;
8. Растворы электролитов - коагуляторов: NaCl – 5 моль/л,
K2SO4 – 0,05 моль/л, K3[Fe(CN)6] - 0,008 моль/л.
Теоретическое пояснение
Синтез лиофобных дисперсных систем осуществляют методами диспергирования и конденсации. Диспергирование твердых и жидких веществ в выбранных средах проводят в шаровых и коллоидных мельницах, ультразвуковых установках и др. Эффект диспергирования усиливается при введении в среду ПАВ (эффект Ребиндера). Конденсационные методы основаны на физической и химической конденсации атомов или молекул с последующим образованием новой фазы в виде дисперсных частиц, распределенных в объеме среды (газообразной, жидкой или твердой).
При конденсации необходимо пересыщение, так как возникающие зародыши имеют большее равновесное давление пара (для жидкости) или большую растворимость (для твердых частиц) благодаря большой кривизне поверхности (малому радиусу частиц). Зависимость радиуса зародышей от пересыщения выражается уравнением Кельвина (Томсона):
ln(p/ps) = (sVm/RT)(ds/dV),
где p и ps – давление насыщенного пара над поверхностью, имеющей кривизну, и над ровной поверхностью соответственно; Vm – мольный объем вещества в конденсированном состоянии; R – универсальная газовая постоянная.
При образовании зародыша в случае лиофобных систем требуется затрата работы на создание новой поверхности. Учет этой работы и работы пересыщения дает следующее выражение для работы образования зародыша в таких системах:
A = - DG = -(1/3)ss ,
где s – поверхность зародыша.
Из этого уравнения следует, что затрата работы тем меньше, чем меньше поверхностное натяжение и размеры зародыша. Окончательные размеры частиц дисперсной фазы зависят от соотношения между скоростью образования зародышей и скоростью их роста, который самопроизвольно происходит в пересыщенных системах.
Методом физической конденсации получают золи, дымы, дисперсные металлы. При химической конденсации частицы новой фазы образуются в результате протекания в системе химической реакции с образованием малорастворимых соединения.
Лиофобные дисперсные системы термодинамически неустойчивы, так как частицы дисперсной фазы склонны к агрегации. Их термодинамическая агрегативная неустойчивость обусловлена избытком поверхностной энергии. Межфазное поверхностное натяжение в лиофобных системах больше рассчитанного по соотношению Ребиндера-Щукина:
sмакс.<gkT/a2 ,
где g - безразмерный коэффициент, k - константа Больцмана, a - средний размер частиц.
Поэтому они не могут быть получены самопроизвольным диспергированием как лиофильные системы; для их образования должна быть затрачена внешняя энергия.
Укрупнение частиц дисперсной фазы при потере агрегативной устойчивости достигается в результате изотермической перегонки или за счет слипания частиц коагуляции. Наиболее распространен процесс коагуляции. Процесс укрупнения коллоидных частиц в результате их слипания под действием межмолекулярных сил притяжения называют коагуляцией. В зависимости от природы системы и концентрации дисперсной фазы этот процесс может заканчиваться или осаждением частиц, или структурообразованием.
Процессу коагуляции способствуют: повышение температуры, замораживание, механическое воздействие, пропускание электрического тока, старение золя, добавление электролита. Под действием электролита наиболее легко коагулируют золи, у которых основным фактором устойчивости является двойной электрический слой (ДЭС).
Лиофобные дисперсные системы характеризуются кинетической агрегативной устойчивостью, определяемой скоростью процесса коагуляции. Кинетика коагуляции описывается уравнением Смолуховского:
nå=n0/(1+Kn0t) или nå=n0/(1+t/q)
где nå - суммарное число частиц дисперсной фазы ко времени t; n0 - первоначальное число частиц; q = 1/(Kn0) - время половинной коагуляции; K - константа скорости коагуляции.
Константа К определяется соотношением
K = KsR exp (DE/kT) или K = (4kT/3h)×R exp (-(DE/kT)),
где Ks - константа скорости быстрой коагуляции; R - стерический множитель, учитывающий благоприятные пространственные расположения частиц при столкновении; DE - энергия взаимодействия частиц, или потенциальный барьер; k – константа Больцмана; h - вязкость дисперсионной среды.
Константа скорости коагуляции К (константа скорости медленной коагуляции) является мерой кинетической агрегативной устойчивости. Если DE=0 и R=1, то эта константа равна константе скорости быстрой коагуляции, зависящей от вязкости среды и температуры системы. Если DE¹0 и R¹1, то не все соударения частиц эффективны, и происходит медленная коагуляция. Замедление коагуляции, обусловленное потенциальным барьером, характеризуется фактором устойчивости, или коэффициентом стабильности:
W = Ks/K = (1/R)×exp (DE/kT).
При значительном потенциальном барьере может наступить такое состояние системы, когда скорость агрегации частиц будет равна скорости дезагрегации и система окажется термодинамически устойчивой к коагуляции.
Таким образом, агрегативная устойчивость коллоидных систем обуславливается термодинамическими и кинетическими факторами. Термодинамические факторы, действие которых направленно на снижение поверхностного натяжения и увеличению энтропии, уменьшают вероятность эффективных соударений между частицами, создают потенциальные барьеры. Кинетические факторы снижают скорость столкновения частиц и связаны в основном с гидродинамическими свойствами системы.
Различают следующие факторы устойчивости дисперсных систем.
1. Электростатический фактор (термодинамический); заключается в уменьшении поверхностного натяжения, вследствие возникновения двойного электрического слоя на поверхности частиц в соответствии с уравнением Липпмана.
2. Адсорбционно-сольватный фактор (термодинамический); состоит в уменьшении поверхностного натяжения в результате взаимодействия частиц с дисперсионной средой (уравнение Дюпре) или благодаря адсорбции стабилизаторов (уравнение Гиббса).
3. Энтропийный фактор – проявляется в стремлении дисперсной фазы к равномерному распределению по объему системы под действием теплового движения.
4. Структурно-механический фактор (кинетический) – связан с тем, что на разрушение пленок, образующихся на поверхности частиц, и обладающих упругостью и механической прочностью, требуется энергия и время.
5. Гидродинамический фактор (кинетический) - заключается в снижении скорости движения частиц при изменении вязкости и плотности дисперсионной среды.
6. Смешанные факторы наиболее характерны для реальных систем; агрегативная устойчивость обеспечивается действием нескольких факторов одновременно.
Каждому фактору устойчивости соответствует специфический метод его нейтрализации. Например, электростатический фактор очень чувствителен к введению электролитов. Действие структурно-механического фактора можно предотвратить с помощью веществ, разжижающих упругие структурированные слои на поверхности частиц, а также механическим, термическим способами и другими.
Устойчивость дисперсных систем определяется балансом энергии притяжения и энергии отталкивания частиц. Энергия притяжения обусловлена межмолекулярными силами, главным образом силами Ван-дер-Ваальса. В первом приближении эта энергия обратно пропорциональна квадрату расстояний между частицами. По теории ДЛФО (Дерягина, Ландау, Фервея, Овербека), учитывающей только электростатическую составляющую расклинивающего давления, энергия отталкивания убывает с расстоянием по экспоненциальному закону.
Для области малых электрических потенциалов суммарная энергия взаимодействия частиц равна
U(h) = 2e0ecj2de-ch ×(-A*/12ph2 )
где e - диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды; e0 – диэлектрическая постоянная; c - величина, обратная толщине диффузного слоя; jd - электрический потенциал диффузного слоя; A* - постоянная Гамакера; h – расстояние между частицами (пластинами).
При больших потенциалах и расстояниях между частицами (пластинами) эта энергия определяется уравнением
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |
Основные порталы (построено редакторами)