04 Общая характеристика дисперсных систем

Общая характеристика
дисперсних систем
План
1. Основные понятия и определения.
2. Классифскацся дисперсных систем.
3. Методы получения дисперсных
систем.
4. Методи очищения дисперсных
систем.
Подготовила к.х.н., доц. Иванец Л.Н.
Коллоидная химия – наука о поверхностных явлениях и
дисперсных системах.
Поверхностные явления – совокупность явлений,
связанных с физическими особенностями границ раздела
между соприкасающимися фазами.
Дисперсные системы – гетерогенные системы, в которых
одна из фаз находится в дисперсном (раздробленном состоянии).
Дисперсная система
Дисперсная фаза
(раздробленная часть
дисперсной системы)
Дисперсионная среда
(непрерывная часть
дисперсной системы)
Признаки объектов коллоидной химии
1. Гетерогенность (многофазность).
2. Дисперсность (раздробленность).
Меры дисперсности
Поперечный размер частицы (а) – диаметр для
сферических частиц (d) и длина ребра для кубических частиц (l).
Дисперсность (D) – величина, обратная поперечному
размеру частицы: D=1/a.
Удельная поверхность (Sуд) – межфазная поверхность,
приходящаяся на единицу объема или массы дисперсной
фазы:
Sд .ф
S д .ф


S уд 
S уд 
mд .ф
Vд .ф
Частицы сферической формы
S уд  6 / d  6 D
Частицы цилиндрической формы
S уд  4 / d  4 D
Частицы кубической формы
S уд  6 / l  6 D
Зависимость удельной поверхности от размера частиц
I – молекулярные системы
(истинные растворы)
a < 10-9
–
высокодисперсные,
коллоидные (наносистемы)
II
10-9 < a < 10-7
–
среднедисперсные
(микрогетерогенные)
III
10-7 < a < 10-5
IV – грубодисперсные
a > 10-5
Особенности коллоидных систем
1. Избыточная поверхностная энергия GS
GS    S
При
увеличении
дисперсности
увеличивается
удельная
поверхность частиц дисперсной фазы, большая часть всех молекул
или атомов находится на поверхности раздела фаз в
несимметричном силовом поле, что приводит к возникновению
избыточной поверхностной энергии.
2. Термодинамическая неустойчивость
3. Невоспроизводимость (индивидуальность)
4. Способность к структурообразованию
Классификация дисперсных
систем за размером частиц
Ультрамикрогетерогенные
10-7 ÷ 10-9 м
Микрогетерогенные
10-4 ÷ 10-7 м
Грубодисперсные
>10-4 м
За агрегатным состоянием фаз
Дисперсная
фаза
Дисперсионн
Условное
ая среда
обозначение
Примеры дисперсных
систем
Жидкость
Газ
ж/г
Туман, облака, жидкие
аэрозоли
Твердое тело
Газ
т/г
Дым, пыль, твердые
аэрозоли
Газ
Жидкость
г/ж
Пены, газовые эмульсии
ж/ж
Эмульсии (молоко,
латекс)
т/ж
Суспензии, коллоидные
растворы, гели, пасты
Жидкость
Твердое тело
Жидкость
Жидкость
Газ
Твердое тело
г/т
Твердые пены, пористые
тела (пенопласты,
силикагель, пемза)
Жидкость
Твердое тело
ж/т
Жемчуг, опал
Твердое тело
Твердое тело
т/т
Цветные стекла, сплавы
Классификация по межфазовому взаимодействию
лиофобные
это системы, в которых
слабые силы
Межмолекулярного
взаимодействия.
К ним принадлежат
лиозоли, аэрозоли,
эмульсии, пены.
Лиофобные золи
это коллоидные
растворы.
лиофильные
это системы, в которых
Интенсивное
взаимодействие
между фазой и
средой.
К ним принадлежат
растворы
высокомолекулярных
соединений.
Коллоидные растворы (золи)
Коллоидными растворами называют
микрогетерогенные дисперсные
системы с частицами размером от 10-7
до 10-9м. Их характеризует не только
наличие поверхности раздела между
дисперсной фазой (каждой частицей) и
дисперсионной средой
(растворителем), но и малая
устойчивость; коллоидные растворы
не образуются самопроизвольно.
Условия образования
коллоидных растворов
• малая растворимость веществ
дисперсной фазы в дисперсионной среде
• -соответственная степень дисперсности
вещества (d = 10-7-10-9 м)
• -наличие стабилизатора, который
придает частицам дисперсной фазы
одноименного заряда, что предупреждает
их объединение (агрегацию).
Методы получения
коллоидных растворов
диспергирование
конденсация
Получение дисперсных систем
Диспергационные методы
измельчение крупных образцов вещества до частиц
дисперсных размеров;
химический состав
вещества не меняется;
и
агрегатное
состояние
затрачивается внешняя работа;
используют для получения грубодисперсных систем
– производство цемента (1 млрд.т в год), измельчении руд
полезных ископаемых, помол муки и т.д.
Для
облегчения
диспергирования
используют
понизители твердости (электролиты, эмульсии, ПАВ и др.)
Понизители твердости составляют 0,1 % от общей массы
измельчаемых веществ и при этом снижают энергозатраты на
получение дисперсных систем более чем в два раза.
Диспергационные методы получения
коллоидных растворов
Механические
С помощью дробилок,мельниц,
мешалок
Электрические
С помощью приборов для
электролитического разпыления
Акустические
С помощью ультразвуковых приборов
Пептизация – переведение
осадка в состояние золя
Прибор для получения коллоидов
методом электролитического
разпыления металлов
Лабораторный ультразвуковой
диспергатор для обработки
небольших объемов жидкости
Метод пептизации
Пептизация – метод, основанный на переводе
в коллоидный раствор осадков, первичные
размеры
которых
уже
имеют
размеры
высокодисперсных систем.
Суть метода: свежевыпавший рыхлый осадок
переводят в золь путем обработки пептизаторами
(растворами электролитов, ПАВ, растворителем).
Конденсационные методы
•
основаны на ассоциации молекул в агрегаты из
истинных растворов;
•
используют
систем;
•
•
для
получения
высокодисперсных
не требуют затраты внешней работы;
появление новой фазы происходит при пересыщении
среды.
Физические конденсационные методы
1. Метод конденсации из паров – образование тумана в
газовой фазе при понижении температуры.
Образование тумана, облаков, производство H2SO4, H3PO4.
2. Метод замены растворителя – раствор вещества
приливают к жидкости, в которой это вещество практически не
растворимо.
Получение гидрозолей серы, холестерина, канифоли и др.
Схема прибора Шальникова и
Рогинского для получения органозоля
методом конденсации пара
Методы конденсации
Химические методы:
- реакции восстановления
(Ag2O+H2 → 2Ag↓ +H2O)
- реакции окисления
(2H2S + SO2 → 3S↓ + 2Н2О)
- реакции обмена
(СuСl2+ Na2S → CuS↓ + 2NaCl)
- реакции гидролиза
(FеСl3 +ЗН2O → Fe(OH)3↓ +3HCI)
Методы очистки дисперсных систем
Низкомолекулярные примеси (чужеродные электролиты)
разрушают коллоидные системы.
Диализ
–
отделение
золей
от
низкомолекулярных
примесей с помощью полупроницаемой мембраны.
Электродиализ
–
диализ,
ускоренный
внешним
электрическим полем.
Ультрафильтрация – электродиализ под давлением
(гемодиализ).
Схема диализатора Грема
1- диализатор, 2- мембрана, 3- эксикатор
Схема электродиализатора
Паули
Компенсационный диализ
(вивидиализ)
Ультрафильтрация:
а) под вакуумом; б) под давлением
а)
б)
Микрофотография полимерной
мембраны из ацетилцеллюлозы
для ультрафильтрации