Физическая и коллоидная химия (стр. 10 )

Исходя из высоты капиллярного поднятия и поверхностно­го натяжения поднимающейся по капиллярам жидкости, мож­но вычислить радиус капилляра:

r = 2σ / (h · ρ · g).

Для проведения опыта берут две стеклянные трубки дли­ной 1,5–2 м и диаметром 1–2 см и подвязывают их с одной стороны марлей. В одну из трубок насыпают суглинистую почву, в другую – песок. При заполнении в целях более плотной упаковки трубками постукивают о деревянную по­верхность. Затем трубки закрепляют в штативе, погрузив нижние концы в стакан с водой. Следят за подъемом воды по капиллярам почвы. Когда подъем воды завершится, записывают высоту ее подъема (в сантиметрах).

Подставив получен­ное значение h и другие известные данные в уравнение, вычисляют радиус капилляров почвы. Полученные сведения записывают в таблицу. На основании данных таблицы делают выводы.

Название почвы	Высота поднятия воды h, см	Радиус капилляров r, см

Контрольные вопросы

1. Что такое поверхностное натяжение и как оно измеряется?

2. Что такое свободная поверхностная энергия?

3. Почему капля жидкости имеет форму шара, а мелкие капельки тумана стремятся сконденсироваться в более круп­ные?

4. Что такое ПАВ и ПИВ? Приведите примеры.

5. Приведите адсорбционное уравнение Гиббса. Какие количест-венные соотношения оно выражает?

6. Сформулируйте правило Траубе для ПАВ.

7. В чем сущность измерения поверхностного натяжения с помощью сталагмометра?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 10.

ВЯЗКОСТЬ И ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Вязкостью, или внутренним трением, называется сопро­тивление, возникающее при движении одних слоев жидкости относительно других. При перемешивании жидкостей ощуща­ется сопротивление движению палочки. При движении одного слоя жидкости соседние вовлекаются в это движение, но ока­зывают ему сопротивление. Величина этого сопротивления для различных жидкостей различна и зависит от их химиче­ской природы. Такие жидкости, как мед, сахарный сироп, многие золи, обладают высокой вязкостью, а вода, этиловый спирт и другие жидкости характеризуются малой вязкостью.

Вязкость жидкости зависит от температуры. При повыше­нии температуры вязкость уменьшается, жидкость становится более подвижной, т. е. текучесть ее увеличивается. При повы­шении температуры на 1° вязкость уменьшается приблизи­тельно на 2 %.

Вязкость растворов в значительной мере зависит от их концентрации, при повышении которой вязкость увеличивает­ся, а при понижении уменьшается.

Количественно вязкость характеризуется коэффициентом вязкости. Под коэффициентом вязкости понимают силу, не­обходимую для перемещения слоя жидкости площадью 1 м2 со скоростью 1 м/с по отношению к другому слою, располо­женному на расстоянии 1 м от первого.

Вязкость измеряется в паскаль-секундах (Па·с). Так, вязкость воды, при температуре 293,16 К (20 °С) равна 1,005 · 10–3 Па·с, а глицерина – 1499,0 · 10–3 Па·с. На практике обычно опре­деляют относительную вязкость, т. е. отношение вязкости ис­следуемой жидкости к вязкости воды.

Вязкость определяют различными способами. Один из ме­тодов измерения вязкости основан на определении времени истечения жидкости из капиллярной трубки вискозиметра.

Вискозиметр представляет собой U-образную трубку с рас­ширениями. Секундомером определяют время истечения рав­ных объемов (от метки до метки) воды и исследуемой жидко­сти. На основании этих данных рассчитывают относительную вязкость по уравнению

,

где η – относительная вязкость исследуемой жидкости по воде;

η0 – коэффициент вязкости воды, равный 1,005 · 10–3 Па·с;

ρ и ρ0 – плотность исследуемой жидкости и воды;

τ и τ0– время истечения исследуемой жидкости и воды.

Величины τ и τ0 определяют секундомером при постоянной температуре; ρ и ρ0 для данной температуры берут из таблиц.

Определение вязкости имеет большое значение при изуче­нии свойств растворов белков, углеводов, жиров, коллоидных растворов. От вязкости жидкостей зависит скорость диффу­зии веществ в жидких средах, а следовательно, и скорость химических реакций.

Приборы и материалы: вискозиметр, термостат, се­кундомер, 0,25-, 0,5- и 1%-ный растворы крахмала, 1%-ный раствор желатина, стакан на 500 мл, пипетка, термометр, лед или снег.

Подготовка вискозиметра. Вискозиметр промывают хро­мовой смесью, дистиллированной водой и высушивают. С по­мощью пипетки наливают дистиллированной воды в более широкую трубку вискозиметра столько, чтобы уровень ее на­ходился в верхней части расширения. Вискозиметр погружа­ют в химический стакан с водой, нагретой до желаемой температуры, и вертикально укрепляют в штативе. Через 10 мин с помощью резиновой трубки, надетой на тонкий конец труб­ки вискозиметра, засасывают воду выше верхней метки, при­чем уровень жидкости в правом колене должен оставаться в нижней части расширения. По секундомеру с точностью до 0,2 с определяют время истечения воды от верхней до ниж­ней метки. Определение повторяют 3 раза и берут среднее значение. Затем таким же образом определяют время истечения иссле­дуемой жидкости.

Недопустимо: 1) вспенивание жидкости; 2) наличие пу­зырьков воздуха в капилляре; 3) наличие капли жидкости в верхней метке.

Опыт 1. Влияние концентрации раствора на вязкость

Определить относительную вязкость раствора крахмала, при­готов-ленного смешиванием его с водой в количествах, ука­занных в таблице. Данные опыта записывают в таблицу и вычерчивают кри­вую зависимости вязкости от концентрации.

Вещество	Номер раствора
1	2	3	4
Крахмал, мл	20	15	5	2
Вода, мл	0	5	15	18
Время истечения, τ
Вязкость, η

Опыт 2. Влияние температуры на вязкость

Измеряют вязкость 0,5%-ного золя желатина при температуре 0 °С, для чего вискозиметр погружают в смесь воды и льда (снега). Затем оп­ределяют вязкость при 20, 40 и 60 °С. Данные записывают и вычерчивают кривую зависимости вязкости от температуры.

Контрольные вопросы

1. Что такое вязкость?

2. От каких факторов она зависит?

3. Что такое абсолютная и относительная вязкость?

4. Какое значение имеет определение вязкости?

5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

5.1. Коллоидные системы, их свойства, получение

Изучением коллоидных систем занимается коллоидная химия. Коллоидное состояние вещества характеризуется определенным размером частиц и наличием поверхности раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой. Колло­идные системы представляют собой частный вид дисперсных систем с размером частиц от 1 до 100 нм (т. е. 10–9–10–7м). Коллоидные растворы занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. От истинных растворов коллоиды отличаются наличием поверхности раздела между фазами, малыми скоростями диффузии, неспособностью проникать через мембраны клеток животных и растений, способностью рассеивать свет. Разли­чие окраски при рассматривании коллоидов в проходящем и отраженном свете, обусловленное светорассеянием, получи­ло название опалесценции. От грубодисперсных систем коллоидные растворы отлича­ются достаточной кинетической устойчивостью относительно самопроизвольного расслаивания.

Коллоидные растворы обладают своеобразными кинетиче­скими, оптическими и электрическими свойствами и чрезвы­чайно широко распространены в природе. Так, например, важнейшие составляющие живых организмов: белки, кровь, лимфа, углеводы и др. – находятся в коллоидном состоянии. Большую роль в повышении плодородия имеют почвенные коллоиды.

По отношению к среде все коллоиды делят на две группы: лиофобные, у которых дисперсная фаза не взаимодействует с дисперсионной средой (золи металлов и неметаллов, гидроксидов малорастворимых солей), и лиофильные, дисперсная фаза которых хорошо взаи­мо-действует с дисперсионной средой (крахмал, желатин, кау­чук и т. д.). Белки, крахмал, желатин, каучук относятся к высокомолекулярным соединениям (ВМС) и образуют истинные молекулярные растворы, обладающие гомогенностью и термодинамической устойчивостью. По величине макромолекул ВМС напоминают коллоидные системы. Поэтому произошло разделение коллоидных систем на коллоидно-дисперсные (ультрамикрогетерогенные) системы и растворы ВМС.

Коллоидная химия изучает также грубодисперсные системы (эмульсии, пены, суспензии, аэрозоли), называемые микрогетерогенными, с размером ча­стиц от 100 нм до нескольких микрон, хорошо видных в мик­роскоп.

Учитывая, что коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярно-дисперсными системами, в основу их полу­чения положено два метода:

- дисперсионный (дробление частиц до размера коллоидных);

- конденсационный (объеди­нение в агрегаты молекул или ионов частиц, приближаю­щихся по размерам к коллоидным).

Дисперсионные методы (диспергирование) получения коллоидов делят на ме­ханические, ультразвуковые, метод пептизации и метод раст­ворения. В основе большинства конденсационных методов получения коллоидных растворов лежат химические реакции окисления, восстановления, обменного разложения, гидролиза, а также физические методы – замены растворителя, физиче­ской конденсации.

Для получения устойчивых коллоидов их необходимо очи­стить от избытка электролитов, образующихся при получении золей. Очистку проводят методами диализа (проточного и не­проточного), электродиализа и ультрафильтрации. Сущность этих методов заключается в фильтровании коллоида через по­лупроницаемые мембраны, поры которых не пропускают кол­лоидные частицы и макромолекулы, но легко пропускают ионы электролита.