Коллоидная химия

Учебно-методическое
пособие
Коллоидная химия
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет
КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Учебно-методическое пособие
Красноярск
СФУ
2022
УДК 541.18(07)
ББК 24.6я73
К607
К607 Коллоидная химия : учеб.-метод. пособие / сост. : Т. Л. Денисова,
Е. О. Голубева, В. М. Денисов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т,
2022. – 84 с.
Представлены лабораторные работы, контрольные вопросы по основным
разделам коллоидной химии – поверхностные явления, кинетические и оптические
свойства, электрические явления на поверхностях, образование и свойства лиофобных и лиофильных дисперсных систем.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлению 04.03.01 «Химия» и специальности 04.05.01 «Фундаментальная
и прикладная химия», изучающих коллоидную химию и поверхностные явления.
УДК 541.18(07)
ББК 24.6я73
Электронный вариант издания
см.: http://catalog.sfu-kras.ru
© Сибирский федеральный
университет, 2022
СОДЕРЖАНИЕ
Правила выполнения лабораторной работы ..................................................... 4
Лабораторная работа № 1. Определение полной поверхностной энергии
жидкостей ............................................................................................................. 6
Лабораторная работа № 2. Изучение взаимосвязи между поверхностным
натяжением и адсорбцией ................................................................................ 11
Лабораторная работа № 3. Изучение адсорбционного равновесия
из водных растворов карбоновых кислот на активированном угле
методом титрования .......................................................................................... 17
Лабораторная работа № 4. Исследование адсорбции неэлектролитов
из бинарных растворов на твёрдых адсорбентах ........................................... 23
Лабораторная работа № 5. Определение смачивания поверхности твёрдых
тел и определение работы адгезии .................................................................. 27
Лабораторная работа № 6. Определение критического натяжения
смачивания полимеров ..................................................................................... 32
Лабораторная работа № 7. Способы получения дисперсных систем .......... 35
Лабораторная работа № 8. Изучение электрокинетических явлений
в коллоидной системе на примере электрофореза ......................................... 42
Лабораторная работа № 9. Изучение ограниченного набухания
полимера ............................................................................................................. 47
Лабораторная работа № 10. Определение критической концентрации
мицеллообразования в растворах ПАВ ........................................................... 51
Лабораторная работа № 11. Седиментационный анализ суспензии
методом непрерывного взвешивания осадка ................................................. 56
Лабораторная работа № 12. Изучение коагуляции и стабилизации
гидрозоля железа ............................................................................................... 66
Список литературы ........................................................................................... 72
Приложение А. Таблицы .................................................................................. 73
Приложение Б. Методика определения угла смачивания в графическом
редакторе «Adobe Photoshop» .......................................................................... 74
Приложение В. Методика измерения оптической плотности с помощью
спектрофотометра «Spekol 1 300» ................................................................... 79
ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1. Подготовка к работе (этап, необходимый для получения
допуска к выполняемой работе)
При подготовке к работе рекомендуется придерживаться следующего плана.
1. Прочитать название и описание работы от начала до конца, не задерживаясь на выводе формул. Необходимо выяснить, какой физический
закон или явление изучается в данной работе и каким методом проводится
исследование.
2. Разобрать материал (лекционный или по учебнику), относящийся
к данной работе. Разобрать вывод формул. Ответить на контрольные вопросы, приведённые в конце описания работы.
3. Разобрать по учебному пособию принципы устройства и работы
приборов, которые предполагается использовать в работе.
4. Выяснить, какие величины и с какой точностью будут непосредственно измеряться и каковы их размерности.
5. Подготовить предварительный отчёт (в лабораторном журнале
необходимо начертить таблицу, в которую будут заноситься результаты
измерений).
6. Обдумать, какой окончательный результат должен быть получен
в данной лабораторной работе.
2. Выполнение работы
При выполнении работы вначале следует ознакомиться с приборами,
провести предварительный опыт для того, чтобы пронаблюдать качественно изучаемое явление, оценить, в каких пределах находятся измеряемые
величины. После проведённой подготовки можно приступать к измерениям.
Производимые по приборам отсчёты записываются в лабораторный
журнал сразу же после выполнения отчёта в том виде, как они считаны
со шкалы прибора – без каких-либо пересчётов на множитель шкалы
или систему единиц. Единицы измерений и множитель шкалы должны
быть записаны в заголовке соответствующей таблицы с результатами
измерений.
4
3. Оформление отчёта
Отчёт должен быть оформлен в рукописном виде (выполняется каждым студентом индивидуально). На титульном листе отчёта указывается
название работы, Ф. И. О. студента, номер группы. В начале отчёта формулируется цель работы. Затем указывается оборудование и материалы,
используемые для проведения работы. Затем аннотационно делается небольшое теоретическое введение в работу. В соответствующих таблицах
приводятся результаты непосредственных измерений, причём все таблицы
должны быть озаглавлены. Приводятся все расчётные формулы –
как в символьном виде, так и с подставленными числами. К отчёту
прикладываются необходимые графики. Графики должны быть выполнены
на миллиметровой бумаге или в графическом редакторе при помощи ПК.
Размер графиков – 10×10 см. В конце отчёта формулируются выводы.
В выводах должны быть проанализированы полученные результаты и дано
заключение об их согласии с теоретическими зависимостями. Отчёт по работе и теоретический материал сдаётся преподавателю.
4. Защита лабораторной работы
Защита работы предусматривает успешное выполнение эксперимента, оформление отчёта, ответы на контрольные вопросы. При защите теоретической части студент должен свободно ориентироваться в тех изучаемых явлениях, которые представлены в работе, уметь выводить используемые в работе формулы, понимать их физический смысл.
5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ
ЭНЕРГИИ ЖИДКОСТЕЙ
Теоретическая часть
Полная поверхностная энергия коллоидной системы – внутренняя
энергия единицы поверхностного слоя. Уравнение Гиббса – Гельмгольца
показывает связь полной поверхностной энергией Us с поверхностным
натяжением σ:
 d 
Us   T
 ,
 dT  P
(1.1)
 d 
где T 
  qs – теплота образования единицы площади поверхности.
 dT  P
При повышении температуры поверхностное натяжение σ уменьшается, а теплота образования единицы площади поверхности qs увеличивается, т. к. с повышением температуры расстояние между молекулами
в жидких телах увеличивается, поверхностное натяжение уменьшается,
а энтропия поверхностного слоя увеличивается. При линейной зависимости поверхностного натяжения от температуры поверхностное натяжение
уменьшается на величину T (dσ/dT), тогда как энтропийная составляющая
qs увеличивается.
Для определения полной поверхностной энергии необходимо знать
поверхностное натяжение и его температурный коэффициент.
Методы определения поверхностной энергии разделяются на статические, полустатические и динамические.
В статических методах поверхностное натяжение определяется
на основе изучения равновесного состояния, к которому самопроизвольно
приходит изучаемая система. Используются следующие методы: уравновешивания пластинки (метод Вильгельми), капиллярного поднятия, лежащей капли.
Полустатические методы, как и статические, основаны на достижении системой некоторого равновесного состояния, но для полустатических
методов это равновесие неустойчиво. Определение поверхностного
натяжения основано на изучении условий, при которых система теряет
своё равновесие. Используются методы отрыва пластинки и кольца,
а также максимального давления в пузырьке (капле).
6
Динамические методы определяют поверхностное натяжение
при движущейся поверхности раздела фаз. Недостатком динамических методов является сложность их аппаратурного оформления.
В данной работе предложен метод максимального давления в газовом пузырьке, который основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа, выдуваемого в жидкость через капилляр.
При медленном продавливании пузырька из капилляра в жидкость
в нём возникает избыточное внутреннее давление Δp, которое согласно закону Лапласа определяется поверхностным натяжением σжг и кривизной
поверхности пузырька:
p 
2σ жг
.
rм
(1.2)
Радиус кривизны rм изменяется по мере продавливания пузырька
в жидкость. В начальный момент пузырёк имеет большой радиус кривизны
(рис. 1.1), поверхность его почти плоская (rм  r, где r – радиус капилляра). Со временем радиус кривизны уменьшается, пузырёк становится
всё более выпуклым и при rм = r избыточное давление внутри пузырька
достигает максимального значения Δpmax.
Рис. 1.1. Схема формирования пузырька воздуха на выходе из капилляра
С ростом пузырька внутреннее давление в нём в соответствии с уравнением Лапласа уменьшается, и для дальнейшего увеличения размера пузырька не требуется повышения внешнего давления. В результате воздух
из капилляра выдавливает пузырёк, что приводит к его отрыву от капилляра. Таким образом, определение поверхностного натяжения рассматриваемым методом сводится к измерению избыточного давления Δpmax.
7
При определении поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке необходимо учитывать гидростатическое давление
слоя жидкости, находящейся над ним. Однако если глубина погружения
капилляра в жидкость незначительна и радиус r мал, поправкой на это давление можно пренебречь.
Экспериментальная часть
Цель работы: измерение поверхностного натяжения; определение
температурной зависимости поверхностного натяжения; расчёт полной поверхностной энергии.
Приборы и реактивы:
1) прибор для определения поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке;
2) термостат;
3) пипетки ёмкостью 1–10 мл;
4) исследуемая и стандартная жидкости (указывает преподаватель).
Максимальное давление в пузырьке можно измерить с помощью
прибора Ребиндера (рис. 1.2). Прибор состоит из измерительной ячейки 4
с капилляром 3, аспиратора 1, с помощью которого создают внешнее давление, и микроманометра 2.
Рис. 1.2. Схема установки для определения поверхностного натяжения
методом максимального давления в газовом пузырьке
Измерение избыточного давления проводят следующим образом.
Исследуемую жидкость наливают в ячейку 4 до уровня, при котором кончик капилляра 3 погружается в неё на 0,5-1 мм. Ячейку соединяют отвод8
ной трубкой 5 с аспиратором 1 и краном микроманометра. Манометр устанавливают в горизонтальном положении с помощью регулировочных ножек. Вращая регулятор уровня манометрической жидкости, устанавливают
мениск в манометрической трубке против нулевой отметки. Кран микроманометра поворачивают по часовой стрелке, соединяя микроманометр
с системой разрежения. Открывают кран аспиратора 1. В установке создаётся разрежение, в результате чего манометрическая жидкость поднимается в трубке 6. Сформировавшийся на конце капилляра пузырёк воздуха,
при достижении избыточного давления пробивая поверхностный слой, лопается. В этот момент давление в системе снижается и манометрическая
жидкость начинает опускаться, но затем в результате образования нового
пузырька она снова поднимается. Таким образом, уровень жидкости
всё время колеблется. Чтобы уменьшить пульсацию жидкости в измерительной трубке, добиваются равномерного проскока пузырьков с интервалом 20-30 с. Время образования и отрыва пузырьков воздуха регулируют
путём изменения скорости вытекания воды из аспиратора. Если показание
манометра Δpmax в течение 2-3 мин не изменяется, то его считают установившимся и записывают в журнал.
Для определения поверхностного натяжения используют относительный метод для исключения измерения радиуса капилляра. Для этого
находят константу капилляра k по уравнению (1.3), которую рассчитывают
по значениям максимального давления Δpmax и поверхностного натяжения
σст для стандартной жидкости (например, воды), для которой значение поверхностного натяжения хорошо известно (табл. А.1):
k
σ ст
.
pH2Omax
(1.3)
Определив постоянную капилляра (1.3) и измерив избыточное давление для исследуемой жидкости, рассчитывают значение σжг:
σжг = kΔpmax.
(1.4)
Затем измеряют поверхностное натяжение исследуемой жидкости
при нескольких значениях температуры (интервал температур указывает
преподаватель), для чего проводят термостатирование жидкостей при каждом значении температуры. Результаты измерений оформляют в виде
табл. 1.1.
9
Таблица 1.1
Температура T,
°K
Измеряемое
избыточное
давление Δpmax
Поверхностное
натяжение σ,
мДж/м2
Температурный
коэффициент
dσ/dT
Теплота
образования
единицы
площади
поверхности qs,
Дж/м2
Полная
поверхностная
энергия Us,
Дж/м2
Экспериментальные и расчётные данные
для вычисления полной поверхностной энергии жидкости
1
2
3
4
5
6
По данным измерений строят график зависимости σжг = f (T), тангенс
угла наклона которого даёт значение температурного коэффициента.
Для каждой температуры по уравнению (1.1) рассчитывают теплоту образования единицы площади поверхности и полную поверхностную энергию.
Контрольные вопросы
1. Что такое поверхностное натяжение, его единицы измерения?
2. Как и почему поверхностное натяжение тел зависит от температуры?
3. По какому уравнению можно рассчитать полную поверхностную
энергию? Какие данные необходимы для такого расчёта?
4. Как влияет температура на теплоту и энтропию образования единицы поверхности и на полную энергию неассоциированных жидкостей?
5. Какие методы используют для определения поверхностного натяжения жидкостей и твёрдых тел?
10
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.
ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ
МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТНЫМ НАТЯЖЕНИЕМ И АДСОРБЦИЕЙ
Теоретическая часть
Поверхностное натяжение может уменьшаться при таком поверхностном явлении, как физическая адсорбция, т. е. перераспределение компонентов между объёмной фазой (газ или жидкость) и поверхностным
слоем. При этом та фаза, которая формирует поверхность, является адсорбентом. В системах «жидкость – газ», «жидкость – жидкость» адсорбентом
является жидкость; в системах «твёрдое – газ», «твёрдое – жидкость» адсорбент – твёрдое тело.
Количественно величину адсорбции данного компонента характеризуют числом молей этого компонента, находящихся в поверхностном слое
адсорбционной системы, отнесённых либо к единице площади поверхности адсорбента, либо к единице его массы:
A
Vs с s
 hсs ,
s
(2.1)
где А – величина адсорбции (моль/м2); Vs и h – объём и толщина поверхностного слоя; сs – концентрации адсорбата в объёме поверхностного слоя.
Величину А (абсолютная адсорбция) определить на практике очень сложно.
В связи с этим чаще используют гиббсовскую (избыточную) адсорбцию.
Количественной мерой гиббсовской адсорбции является величина
избыточного компонента на единице поверхности:
ni
.
s

(2.2)
Взаимосвязь между адсорбцией компонентов и поверхностным
натяжением выражается фундаментальным адсорбционным уравнением
Гиббса:
 d   i d i .
i
11
(2.3)
Для разбавленного раствора уравнение (2.3) может быть записано
в виде:

с dσ

,
RT dс
(2.4)
где с – концентрации адсорбата в объёме. Данное уравнение, являющееся
частным выражением уравнения Гиббса, позволяет рассчитать избыточную
адсорбцию, если известна изотерма поверхностного натяжения σ = f (с).
Производная dσ/dc при с → 0, взятая с обратным знаком, называется
поверхностной активностью g:
 d 
g    .
 dc  c0
(2.5)
Её можно найти графически по экспериментальной изотерме поверхностного натяжения σ = f (с) как значение тангенса (взятого с обратным знаком) угла наклона касательной, проведённой к кривой в точке пересечения с осью ординат (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Изотермы поверхностного натяжения
водных растворов ПАВ одного гомологического ряда
По знаку величины g вещества делят на поверхностно-активные
(g > 0) и поверхностно-инактивные (g < 0).
Молекулы поверхностно-активных веществ (ПАВ) состоят из полярной гидрофильной группы (-ОН, -СООН, -NH2, -SO3Na, -COONa и др.)
и неполярной гидрофобной группы – углеводородного радикала. Такие
дифильные молекулы взаимодействуют одновременно с полярными и не12
полярными средами, самопроизвольно накапливаются на границах раздела
фаз, понижая энергию Гиббса поверхности и образуя адсорбционный слой
определённой структуры. В адсорбционных слоях молекулы ПАВ ориентируются полярными группами в сторону полярной среды (воды), а гидрофобной частью – в сторону менее полярной фазы (воздуха, углеводородной жидкости). По мере заполнения поверхности раздела «вода – воздух» молекулами ПАВ поверхностное натяжение на этой границе снижается. В разреженных адсорбционных слоях (при небольших концентрациях растворов ПАВ) молекулы ПАВ располагаются параллельно поверхности. С ростом концентрации раствора число молекул ПАВ в адсорбционном слое увеличивается. При некоторой концентрации раствора может образоваться предельно насыщенный адсорбционный слой, т. н. «частокол
Ленгмюра». В этом случае поверхность воды оказывается сплошь покрытой углеводородными участками молекул ПАВ. Поверхностное натяжение
растворов при этих концентрациях приближается к значению поверхностного натяжения самих ПАВ на границе с воздухом.
Поверхностная активность ПАВ, прежде всего, определяется длиной
углеводородного радикала. Дюкло и Траубе экспериментально установили,
что поверхностная активность в гомологических рядах жирных кислот,
спиртов, аминов и других истинно растворимых ПАВ возрастает
приблизительно в 3,2 раза при увеличении углеводородной цепи
на одну СН2-группу.
Отношение активностей двух ближайших гомологов называют
коэффициентом Траубе β:
β
g n 1
 3,2 ,
gn
(2.6)
где n – число метиленовых групп в углеводородном радикале.
Это правило выполняется лишь для водных растворов ПАВ. Для растворов ПАВ в неполярных растворителях поверхностная активность
при увеличении длины углеводородного радикала, наоборот, уменьшается
(обращение правила Дюкло – Траубе).
Основываясь на уравнении Гиббса и имея экспериментальную зависимость σ = f (с), можно построить изотерму гиббсовской адсорбции
Г = f (с). Анализ изотерм адсорбции для различных ПАВ одного гомологического ряда показывает, что величина адсорбции во всех случаях стремится к предельному значению Гmax, соответствующей насыщенному монослою ПАВ на поверхности раствора (рис. 2.2).
13
Рис. 2.2. Изотермы адсорбции ПАВ последовательных членов гомологического ряда
Величина Гmax представляет собой предельное значение адсорбции А∞,
когда поверхность покрыта плотным мономолекулярным слоем ПАВ. Следовательно, по значению Гmax можно вычислить площадь одной молекулы
ПАВ на поверхности:
s0  1  N A A 
(2.7)
и толщину поверхностного слоя (т. е. длину молекулы):
  A M /  ,
(2.8)
где NА – число Авогадро; М – молекулярная масса ПАВ; ρ – плотность ПАВ.
Для веществ с ярко выраженными поверхностно-активными свойствами величину адсорбции А можно принять равной гиббсовской адсорбции
Г в довольно широком интервале концентраций растворов. Максимальное
значение Г на изотерме гиббсовской адсорбции отвечает А∞. Сопоставление вычисленных значений толщины слоя с длиной ориентированных молекул даёт возможность оценить тип поверхностной плёнки, определить
ориентацию молекул ПАВ в адсорбционном слое.
Экспериментальная часть
Цель работы: получение изотерм поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке; определение коэффициента
Траубе; расчёт толщины адсорбционного слоя и площади, занимаемой одной молекулой ПАВ в насыщенном адсорбционном слое.
14
Приборы и реактивы:
1) установка для измерения поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке;
2) мерные колбы ёмкостью 50 мл;
3) пипетки ёмкостью 1–10 мл;
4) 1 М растворы пропилового, бутилового, пентилового спиртов.
Из исходных растворов ПАВ по заданию преподавателя готовят
по восемь водных растворов насыщенных спиртов последовательным разбавлением. С помощью установки для измерения поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке определяют поверхностное натяжение исходных и приготовленных растворов (методику измерений см. в лабораторной работе № 1).
По полученным данным строят изотермы поверхностного натяжения
и по ним находят поверхностную активность, а также значения dσ/dс в нескольких точках изотерм.
По уравнению (2.4) вычисляют значения гиббсовской адсорбции
и строят изотермы адсорбции Г = f (с). Данные расчёта записывают
в табл. 2.1.
По уравнению (2.6) рассчитывают коэффициент Траубе. По изотермам адсорбции Гиббса определяют значения Гmax, по уравнениям (2.7)
и (2.8) рассчитывают толщину поверхностного слоя и площадь, приходящуюся на одну молекулу ПАВ.
Поверхностное
натяжение σжг,
Дж/м2
Поверхностная
активность g,
Дж×м/моль
2
3
4
5
Г, моль/м
Наибольшее
давление
в пузырьке Δp
1
dσ/dc,
Дж×м/моль
Концентрация
раствора c,
моль/л
Таблица 2.1
Экспериментальные и расчётные данные для определения адсорбции
6
Полученные значения сравнивают с табличными данными и делают
вывод об ориентации молекул ПАВ в насыщенном адсорбционном слое.
15
Контрольные вопросы
1. Почему в равновесной системе возможно наличие градиента концентрации между объёмом и поверхностью раствора? Объясните физикохимическую сущность процесса адсорбции.
2. Запишите фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса.
3. На чём основано измерение поверхностного натяжения жидкостей
методом наибольшего давления пузырька воздуха?
4. Что такое поверхностная активность? Изобразите изотермы
адсорбции и поверхностной энергии растворов поверхностно-активного
и поверхностно-инактивного веществ.
5. Сформулируйте правило Дюкло – Траубе. Каков его физический
смысл? В чём заключается обратимость этого правила?
6. Какие свойства растворителя и растворённого вещества определяют поверхностную активность?
16
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.
ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИОННОГО РАВНОВЕСИЯ
ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
НА АКТИВИРОВАННОМ УГЛЕ МЕТОДОМ ТИТРОВАНИЯ
Теоретическая часть
При введении адсорбентов в растворы ПАВ молекулы ПАВ могут
адсорбироваться и на границе жидкости с твёрдой фазой. Согласно правилу Ребиндера в результате адсорбции ПАВ разность полярностей на границе раздела фаз уменьшается. Все полярные гидрофильные поверхности
адсорбируют ПАВ из неполярных и слабополярных жидкостей. Неполярные адсорбенты, такие как уголь или некоторые полимерные материалы,
наоборот, хорошо адсорбируют ПАВ из полярных жидкостей.
На адсорбцию ПАВ из растворов существенное влияние оказывает
также пористость адсорбента. Влияние пористости определяется соотношением размеров пор и молекул ПАВ. С уменьшением размеров пор
адсорбция небольших молекул ПАВ, как правило, возрастает. Однако
это наблюдается в тех случаях, когда молекулы ПАВ имеют размеры,
позволяющие проникнуть в поры адсорбента.
Адсорбцию характеризуют:
1) зависимость количества адсорбированного вещества от температуры при постоянных равновесных давлениях или концентрациях;
2) зависимость равновесного давления (или концентрации) от температуры при постоянном количестве адсорбированного вещества;
3) зависимость количества адсорбированного вещества от равновесного давления (или концентрации) при постоянной температуре.
Адсорбция из предельно разбавленных растворов подчиняется закону Генри:
А = KГс,
(3.1)
где KГ – константа Генри; с – концентрация адсорбата в объёмной фазе.
Ленгмюр описал динамическое равновесие между молекулами
адсорбата, находящимися в растворе при концентрации с, и адсорбированными молекулами в поверхностном слое при доле занятых центров поверхности, равной :
17

Kс
,
1  Kс
(3.2)
где K = KА / KД; KА и KД – константы скорости адсорбции и десорбции соA
ответственно; θ =
– степень заполнения поверхности. При этом ёмкость
A
монослоя A∞ отвечает предельной адсорбции. В основе вывода уравнения
Ленгмюра лежат следующие допущения:
1) адсорбированные частицы связаны с определёнными локализованными центрами на поверхности адсорбента;
2) каждый центр может присоединить только одну адсорбированную
частицу;
3) энергия адсорбированных частиц во всех центрах поверхности
одинакова и не зависит от присутствия или отсутствия других адсорбированных частиц на соседних центрах.
Изотерму Ленгмюра можно привести к линейной форме:
1
1
1


.
A A A Kс
(3.3)
1
1
 f ( ) , получают прямую линию,
A
с
1
которая отсекает на оси ординат отрезок, равный
, а тангенс угла
А
1
наклона равен
. Определив экспериментально ёмкость монослоя А∞,
KА
Построив график зависимости
можно рассчитать удельную поверхность адсорбента sуд, т. е. поверхность,
приходящуюся на единицу массы адсорбента:
sуд  A N A s0 ,
(3.4)
где NA – число Авогадро; s0 – площадь, занимаемая одной молекулой адсорбата в насыщенном мономолекулярном слое, которая для большинства
одноосновных жирных кислот и спиртов составляет 0,2–0,3 нм2.
С увеличением степени заполнения поверхности адсорбентом
уменьшается теплота адсорбции. Тогда изотерма адсорбции описывается
уравнением Фрейндлиха:
18
A  βс1/ n
(n  1),
(3.5)
где A – адсорбция, моль/г; β и 1/n – постоянные величины, n значения
которых находят из экспериментальных данных.
Чтобы определить постоянные величины уравнения Фрейндлиха,
его приводят к линейному виду логарифмированием:
lg A = lg β +
1
lg с.
n
(3.6)
Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс равен угловому коэффициенту линейной функции, в нашем случае – 1/n. Отрезок, отсекаемый
прямой на оси ординат, есть свободный член линейной функции и равен lg β.
Адсорбция на границе «твёрдое тело – раствор» представляет собой
изменение концентрации растворённого вещества (т. е. количества вещества в единице объёма) в поверхностном слое на границе раздела фаз
«твёрдое – жидкость» по сравнению с его концентрацией в объёме жидкой
фазы.
Изучение адсорбции уксусной кислоты на активированном угле
основано на определении концентрации раствора до контакта с адсорбентом с и после наступления адсорбционного равновесия са. Количество
адсорбированной кислоты рассчитывается по формуле:
ν = V (с – са),
(3.7)
где V – объём раствора, из которого идёт адсорбция, л.
Тогда удельная адсорбция:
A
ν V (с  са )

,
m
m
(3.8)
где A – количество вещества, адсорбированного одним граммом адсорбента;
m – масса адсорбента, г.
Экспериментальная часть
Цель работы: изучение кинетики сорбции ПАВ на активированном
угле; построение изотермы сорбции; определение констант адсорбционного равновесия изотерм Фрейндлиха и Ленгмюра.
19
Приборы и реактивы:
1) технические весы;
2) фарфоровая ступка;
3) конические колбы на 100 см3 – 10 шт.;
4) мерные колбы на 50 см3 – 5 шт.;
5) бюретка для титрования на 50 см3;
6) градуированные пипетки на 2, 5, 10 и 25 см3;
7) водный раствор CH3COOH (~0,25 моль/л);
8) водный раствор KOH (0,1 моль/л);
9) фенолфталеин;
10) фильтровальная бумага;
11) активированный уголь.
Навеску около 6 г активированного угля измельчают в фарфоровой
ступке так, чтобы не было зёрен крупнее 1 мм и не образовывалась тонкая
пыль. На технических весах берут пять навесок угля массой около 1 г каждая. Каждую навеску всыпают в отдельную коническую колбу на 100 мл.
В пять мерных колб на 50 мл вливают указанные в табл. 3.1 количества уксусной кислоты концентрацией ~0,25 моль/л, доводят объём колб
до метки дистиллированной водой и перемешивают.
Каждый из приготовленных растворов переносят в одну из конических колб с навеской угля и оставляют на 30 мин, взбалтывая содержимое
колб через каждые 5 мин.
Пока идёт процесс адсорбции, уточняют концентрацию исходного
раствора уксусной кислоты. Для этого в колбу для титрования отбирают
аликвотную часть исходного раствора уксусной кислоты (2 мл), приливают
5-10 мл дистиллированной воды и титруют 0,1 М раствором KOH в присутствии фенолфталеина.
По истечении 30 мин (время адсорбции для каждого из растворов
строго фиксируется) адсорбции растворы уксусной кислоты фильтруют
и в фильтратах определяют титрованием концентрацию кислоты. На титрование берут объёмы фильтрата, указанные в табл. 3.1.
20
Обработка экспериментальных данных
1. Рассчитывают точную концентрацию исходного раствора уксусной кислоты (сисх ~ 0,25 моль/л):
сисх 
сKОНVэ
,
Vал.ч.
(3.9)
где Vэ – объём щёлочи, затраченный на титрование, мл; Vал.ч. – объём
раствора кислоты, взятой на титрование, мл.
2. Рассчитывают концентрацию пяти приготовленных растворов
уксусной кислоты:
с
сисхVисх
,
Vм.к.
(3.10)
где Vисх – объём исходного раствора уксусной кислоты, указанный в табл. 3.1;
Vм.к. – объём мерной колбы, мл.
Результаты расчёта заносят в табл. 3.1.
3. Рассчитывают концентрацию растворов уксусной кислоты
после адсорбции:
са 
сКОНVэ
,
Vал.ч.
(3.11)
где Vэ – объём щёлочи, затраченный на титрование, мл; Vал.ч. – объём
раствора кислоты, взятый на титрование, мл (указан в табл. 3.1). Расход
щёлочи, затраченный на титрование, и концентрацию растворов CH3COOH
после адсорбции заносят в табл. 3.1.
По формуле (3.8) рассчитывают значения адсорбции и также рассчи1 1
тывают значения lg с, lg А, , . Результаты заносят в табл. 3.1. По полуА c
ченным значениям строят изотерму адсорбции в координатах «А» – «с»,
рассчитывают удельную поверхность адсорбента sуд. Для определения
констант изотерм Ленгмюра и Фрейндлиха строят графические зависимо1
1
сти в координатах « » – « » и «lg A» – «lg с».
c
А
По полученным зависимостям делают выводы о применимости уравнений Ленгмюра и Фрейндлиха для описания адсорбции уксусной кислоты
на активированном угле.
21
Таблица 3.1
Исходные данные и результаты эксперимента
Номер колбы
Навеска угля, г
Объём исходного раствора CH3COOH
(сисх, моль/л) Vисх, мл
Концентрация приготовленных растворов
CH3COOH до адсорбции с, моль/л
Объём пробы раствора на титрование
после адсорбции Vал.ч., мл
Расход раствора щёлочи на титрование
после адсорбции Vэ, мл
Концентрация CH3COOH
после адсорбции са, моль/л
lg c
1
с
Адсорбция A, моль/л
lg A
1
А
1
2
3
4
5
2
5
10
25
50
10
10
5
5
2
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятиям: адсорбция, адсорбент, адсорбтив,
адсорбат.
2. В чём заключаются особенности адсорбции на границе раздела фаз
«твёрдое тело – жидкость»?
3. С помощью каких величин может быть количественно выражена
адсорбция?
4. Напишите уравнение изотермы адсорбции теории Ленгмюра.
Объясните физический смысл входящих в него величин. При каких условиях это уравнение применимо?
5. Какие выводы можно сделать о выполнимости предположений,
лежащих в основе теории Ленгмюра, в условиях вашего эксперимента?
6. Охарактеризуйте обобщённую теорию физической адсорбции
Брунауэра, Эммета и Тейлора.
7. Как определить постоянные уравнения Фрейндлиха, если получены экспериментальные данные в некотором интервале концентрации?
Каков физический смысл констант уравнения Фрейндлиха?
22
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.
ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИИ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ
ИЗ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ НА ТВЁРДЫХ АДСОРБЕНТАХ
Теоретическая часть
Адсорбция на границе «твёрдое тело – раствор» осложнена тем,
что происходит одновременная адсорбция растворителя и растворённого
вещества. Т. к. растворитель и растворённое вещество – конкуренты
при адсорбции, значит, чем лучше адсорбируется растворённое вещество,
тем хуже будет адсорбироваться растворитель. Согласно правилу Шилова:
чем лучше растворитель растворяет вещество, тем хуже вещество адсорбируется из раствора. При адсорбции из разбавленных растворов можно
принять, что активность растворителя не меняется. При адсорбции из концентрированных растворов следует учитывать адсорбцию и растворителя,
и растворённого вещества.
Если твёрдый адсорбент массой m приводится в контакт с раствором,
содержащим n0 молей растворителя и растворённого вещества, то в результате адсорбции А1 молей компонента 1 (растворитель) и А2 молей компонента 2 (растворённое вещество) будут находиться на поверхности.
Здесь А1 и A2 – число молей, приходящихся на единицу массы твёрдого
сорбента. При равновесии в жидкой фазе остаётся n1 и n2 молей компонентов 1 и 2.
Тогда общее число молей в системе составит:
n0  n1  n2  A1m  A2 m .
(4.1)
Введём обозначения: x01 и x02 – мольные доли компонентов 1 и 2
до адсорбции, которые составят:
x01 
x1  A1m
x  A2 m
, x02  2
;
n0
n0
(4.2)
x1 и х2 – мольные доли компонентов 1 и 2 после адсорбции, равные:
x1 
n1
n2
, x2  1  x 
.
n1  n2
n1  n2
23
(4.3)
Изменение мольной доли компонента 2 в растворе в результате
адсорбции Δx2 можно выразить следующим образом:
x2  x02  x2 
n2  A2 m
n2
A n m  A1n2 m

 2 1
n1  n2 n0
n1  n2  A1m  A2 m n1  n2
(4.4)
или
n0 x2
 A2 x1  A1 x2 .
m
(4.5)
Левая часть уравнения (4.5) представляет выражение гиббсовской
адсорбции, и поэтому
Г2 
n0 x2
 A2 x1  A1 x2 .
m
(4.6)
Изотермы, соответствующие уравнению (4.6), называют изотермами
состава. Для анализа уравнения (4.6) его удобно записать в виде:
Г2  x1 x2  A2 / x2  A1 / x1  .
(4.7)
Если А2 / x2 > А1 / x1, то Г2 > 0, т. е. гиббсовская, или избыточная,
адсорбция компонента 2 положительна, а при А2 / x2 < А1 / x1 – Г2 < 0,
т. е. гиббсовская адсорбция компонента 2 отрицательна. Т. к. перед скобкой в уравнении (4.7) стоит произведение х1х2, то кривая для гиббсовской
адсорбции будет иметь максимум (Г2 > 0) или минимум (Г2 < 0).
Если А2 / x2 = А1 / x1, то возможно, что гиббсовская адсорбция
одного из компонентов при малых концентрациях имеет один знак,
а с ростом концентрации может изменить знак на обратный. В точке пересечения изотермы с осью состава будет соблюдаться условие
А2 / x2 = А1 / x1 или Г1 = Г2 = 0, которое отвечает адсорбционной азеотропии, т. е. отсутствию разделения веществ.
Экспериментальная часть
Цель работы: определение гиббсовской адсорбции на твёрдом
адсорбенте из бинарных растворов; расчёт гиббсовской адсорбции компонентов раствора по изменению состава раствора при адсорбции; построение изотерм избыточных величин адсорбции и их анализ.
24
Приборы и реактивы:
1) рефрактометр;
2) мерные колбы ёмкостью 50–100 мл;
3) конические колбы с притёртыми пробками ёмкостью 50–100 мл;
4) пипетки ёмкостью 1–25 мл;
5) активированный уголь;
6) взаимно смешивающиеся жидкости (указывает преподаватель).
В мерных колбах готовят десять растворов двух жидкостей, изменяя
соотношение компонентов от чистой жидкости 1 до чистой жидкости 2.
Рассчитывают число молей каждого компонента n01 и n02 в исходной
смеси, общее число молей обоих компонентов и мольные доли каждого
компонента в исходной смеси до адсорбции х01, х02:
n01 
V1ρ1
Vρ
; n02  2 2 ; n0  n01  n02 ;
M1
M2
(4.8)
n01
n
; x02  02 ,
n0
n0
(4.9)
x01 
где V1, V2 – объёмные количества компонентов 1 или 2 в растворе;
ρ1, ρ2 – плотности исходных жидкостей; M1, M2 – молярные массы компонентов 1 и 2.
Определяют показатели преломления n0d полученных растворов.
Строят градуировочный график зависимости показателя преломления
от мольной доли второго компонента.
Вносят в растворы по 0,25–0,5 г измельчённого активированного угля и оставляют на 40–60 мин, периодически встряхивая.
После процесса адсорбции определяют показатели преломления n1d .
По градуировочному графику определяют мольные доли х1 и х2 компонентов (х1 + х2 = 1).
Рассчитывают разность между мольными долями каждого компонента до адсорбции и после адсорбции:
x1  x01  x1 и x2  x02  x2 .
(4.10)
Знак при значении Δх указывает на отрицательную или положительную величину гиббсовской адсорбции.
25
Порядок расчёта величины гиббсовской адсорбции компонента 2
следующий. По формуле (4.6) рассчитывают гиббсовскую адсорбцию
и строят изотермы состава (изотермы гиббсовской адсорбции) в координатах Г2 – f (x2) или Г2 – f (x1). Экспериментальные и расчётные данные записывают в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Данные для расчёта гиббсовской адсорбции
№ колбы V1, мл
1
2
V2, мл
3
n0d
n1d
4
5
n01
6
n02
7
n0
8
x01
9
x02
10
x2
11
Δx2
12
Г2, моль/г
13
Контрольные вопросы
1. Каковы особенности адсорбции на микропористых адсорбентах
и какая теория используется для описания адсорбции на этих сорбентах?
2. Каково соотношение между избыточной Г и абсолютной А
адсорбциями?
3. Чем отличается адсорбция из растворов от адсорбции газов и паров? Какие уравнения используются для описания изотермы обменной молекулярной адсорбции из растворов?
4. Что такое адсорбционная азеотропия? Как её определить?
26
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМАЧИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЁРДЫХ ТЕЛ
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ АДГЕЗИИ
Теоретическая часть
Явления смачивания твёрдых тел при контакте жидкости с поверхностью твёрдого тела и избирательного смачивания, когда с поверхностью
твёрдого тела контактирует граница раздела двух жидкостей, имеют важное значение в различных областях науки и техники. Изучение смачивания
представляет удобный метод исследования свойств поверхности твёрдого
тела и их изменения при адсорбции ПАВ из окружающей среды. Характер
смачивания жидкостью твёрдой поверхности определяется соотношением
молекулярных взаимодействий в твёрдой и жидкой фазах и между фазами;
характеристиками этих взаимодействий являются значения удельных свободных поверхностных энергий на границах раздела «твёрдое тело – газ»
(σтг), «жидкость – газ» (σжг) и «твёрдое тело – жидкость» (σтж), а также связанные с ними значения работы когезии жидкости и работы адгезии жидкости к твёрдому телу.
Когезией (слипанием) называют связь между молекулами внутри фазы.
Количественно когезию можно характеризовать работой когезии Wk,
которую определяют как работу, необходимую для разрыва однородной
объёмной фазы, относящейся к единице площади разрыва:
Wk = 2σжг.
(5.1)
Адгезией (прилипанием, сцеплением) называют связь между разнородными конденсированными телами при их молекулярном контакте.
К конденсированным телам относят жидкости и твёрдые тела. То тело, которое прилипает, называют адгезивом, а на котором происходит адгезия, –
субстратом.
Адгезия относится к поверхностным явлениям, которые протекают
самопроизвольно, т. е. сопровождаются уменьшением поверхностной
энергии. Адгезия количественно характеризуется работой адгезии Wа,
которая соответствует работе, затрачиваемой на разрыв межфазного
соединения и приходящейся на единицу площади поверхности. Её можно
рассчитать по уравнению Дюпре:
27
Wa  σжг  σтг  σтж .
(5.2)
Также можно рассчитать работу адгезии между твёрдой и жидкой
фазами, если известны краевой угол смачивания и поверхностное натяжение жидкости по уравнению Юнга – Дюпре:
Wa  σ жг 1  cos θ  .
(5.3)
Краевой угол смачивания θ определяется как угол между касательной, проведённой к поверхности смачивающей жидкости, и смачиваемой
поверхностью твёрдого тела, при этом он всегда отсчитывается от касательной в сторону жидкой фазы. Касательную проводят через точку соприкосновения трёх фаз (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Определение краевого угла смачивания на лиофильной поверхности
Существуют равновесные и неравновесные краевые углы. Равновесные краевые углы определяются только значениями поверхностного натяжения на границах раздела всех трёх фаз. Равновесию отвечает минимум
энергии Гиббса системы, поэтому для каждой системы при данных внешних условиях θ имеет только одно значение. Неравновесных краевых углов
может быть множество, т. к. они измеряются в условиях отклонения системы от состояния термодинамического равновесия.
Равновесные краевые углы определяются уравнением Юнга:
cos θ =
σ тг  σ тж
.
σ жг
(5.4)
Если поверхностное натяжение на границе «твёрдое тело – газ» σтг
больше, чем поверхностное натяжение на границе «твёрдое тело – жидкость» σтж, жидкость смачивает твёрдое тело, краевой угол θ < 90°, и поверхность твёрдого тела является лиофильной. Жидкость не смачивает поверхность, если σтг < σтж и θ > 90°. В этом случае поверхность является
лиофобной.
28
Влияние смачивания на адгезию показывает уравнение (5.3). Из этого уравнения видно, что чем лучше смачивание (меньше θ), тем больше
работа адгезии. Максимальное значение работы адгезии получается
при полном смачивании поверхности твёрдого тела, когда cos θ = 1
и Wa = 2σжг = Wk.
Смачивающая способность жидкостей и их адгезионное взаимодействие с твёрдыми телами в основном определяются природой веществ,
составляющих эти фазы. Природу поверхности твёрдого тела, а соответственно, и характер его контактного взаимодействия со смачивающей
жидкостью можно изменить путём модифицирования поверхности
(например, проводя её химическую обработку). Один из широко распространённых способов изменения состава поверхностных слоёв основан на
адсорбции на них ПАВ. Адсорбционное модифицирование твёрдых поверхностей проводят либо из водных растворов, либо из органических растворителей. В результате адсорбции ПАВ изменяется не только значение θ,
но и скорость растекания смачивающей жидкости.
Влияние ПАВ на смачивание зависит от того, на какой поверхности
раздела фаз они адсорбируются. Молекулы ПАВ могут адсорбироваться
как на твёрдой поверхности, так и на границе раздела «жидкость – газ».
Если поверхность твёрдого тела гидрофобная, то из водных растворов
ПАВ адсорбируются и на твёрдой поверхности, и на границе «раствор –
воздух». На межфазной поверхности молекулы ПАВ располагаются в соответствии с правилом уравнивания полярностей Ребиндера, из которого
следует, что в результате адсорбции ПАВ разность полярностей на границе
раздела фаз уменьшается. Т. е. все полярные гидрофильные поверхности
адсорбируют ПАВ из неполярных и слабополярных жидкостей, а неполярные адсорбенты, наоборот, хорошо адсорбируют ПАВ из полярных жидкостей. В результате значения σтж и σжг уменьшаются и, согласно уравнению
(5.4), поверхность твёрдого тела смачивается лучше. С увеличением
адсорбции ПАВ твёрдая поверхность становится менее гидрофобной,
происходит т. н. гидрофилизация поверхности.
В результате адсорбции ПАВ может вообще произойти переход
от несмачивания к смачиванию, т. е. инверсия смачивания. Если поверхность твёрдого тела гидрофильная, вода хорошо смачивает её и адсорбция
ПАВ на ней, как правило, незначительная. В этом случае изменение
значений θ связано в основном с уменьшением поверхностного натяжения
на границе «жидкость – газ».
29
Об изменении характера взаимодействия твёрдой поверхности
со смачивающей жидкостью в результате адсорбции ПАВ можно судить
по работе смачивания Wсм. Работа смачивания определяется как разность
(σтг – σжг). Поскольку достаточно надёжных методов измерения поверхностного натяжения на границе с твёрдыми телами нет, для расчёта Wсм
удобнее использовать следующее уравнение:
Wсм  σжг cos θ .
(5.5)
Работа смачивания в зависимости от знака косинуса краевого угла
может быть либо положительной, либо отрицательной. Следовательно,
в зависимости от ориентации молекул ПАВ на межфазной поверхности
при адсорбции может измениться не только абсолютная величина работы
смачивания, но и её знак.
Экспериментальная часть
Цель работы: определение углов смачивания полимера растворами
ПАВ; определение работы адгезии и работы смачивания; нахождение точки инверсии смачивания.
Приборы и реактивы:
1) прибор для определения краевых углов;
2) прибор для измерения поверхностного натяжения жидкости;
3) колбы ёмкостью 50 мл;
4) пипетки ёмкостью 5–10 мл;
5) микрошприц;
6) пластинки полимера;
7) раствор ПАВ.
В данной работе краевой угол, входящий в формулы для расчёта работы адгезии и смачивания, определяют методом лежащей капли. Каплю
исследуемого раствора помещают на пластинку полимера и при помощи
цифрового фотоаппарата делают снимок профиля капли. Полученные
изображения обрабатываются на компьютере с помощью любого графического редактора. Используя возможности редактора, определяют угол смачивания (методику для определения угла смачивания в графическом редакторе Adobe Photoshop см. в прил. Б).
При исследовании смачивания большое значение имеет чистота пластинок, а также шприца и посуды, в которой готовят растворы. Поэтому
30
пластинки полимера следует брать аккуратно только за угол или ребро,
а шприц при смене раствора необходимо каждый раз тщательно промывать.
Готовят восемь-десять водных растворов ПАВ различной концентрации (ПАВ, с которым проводят работу, и концентрации растворов указывает преподаватель). Далее определяют краевые углы θ на границах разделов «пластинка полимера – вода – воздух» и «пластинка полимера – раствор ПАВ – воздух». Поверхностное натяжение σжг приготовленных растворов находят экспериментально (методика определения σжг приведена
в лабораторной работе № 1) либо используют литературные данные.
Измерения краевых углов для каждой концентрации ПАВ проводят
три раза и значения cos θ находят как среднее арифметическое. По формулам (5.3) и (5.5) рассчитывают работу адгезии Wa и работу смачивания Wсм
для каждого раствора. Экспериментальные и расчётные данные записывают в табл. 5.1.
Строят изотерму смачивания cos θ = f (CПАВ) и кривую зависимости
работ адгезии и смачивания от концентрации. По ним определяют точку
инверсии смачивания.
Таблица 5.1
Экспериментальные и расчётные данные
определения работ смачивания и адгезии
Концентрация
раствора ПАВ
CПАВ, моль/л
1
σжг,
Дж/м2
θлев,
град
θправ,
град
θ, град
cos θ
Wсм,
Дж/м2
Wa ,
Дж/м2
2
3
4
5
6
7
8
Контрольные вопросы
1. Что такое адгезия и смачивание? Какие параметры используются
для их количественной характеристики?
2. Покажите взаимосвязь между адгезией и способностью жидкости
смачивать твёрдую поверхность.
3. Дайте характеристику и приведите примеры гидрофильной и гидрофобной поверхности.
4. Чем обусловлено улучшение смачивания водой гидрофобных поверхностей при введении в неё ПАВ?
5. Каковы условия растекания жидкостей?
6. Что такое равновесные краевые углы? Запишите уравнение Юнга.
7. Что такое углы натекания и отекания? Как по ним можно определить равновесный краевой угол?
31
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОГО НАТЯЖЕНИЯ
СМАЧИВАНИЯ ПОЛИМЕРОВ
Теоретическая часть
Для определения поверхностного натяжения на границах «твёрдое
тело – газ» и «твёрдое тело – жидкость» не существует на сегодняшний
день достаточно надёжных прямых методов. Это обусловлено крайне медленной поверхностной диффузией, из-за чего нельзя изменить площадь
поверхности обратимо, в равновесных условиях. Поэтому для оценки поверхностного натяжения твёрдых тел используются косвенные методы:
расчётные или экспериментальные.
Расчётные методы применимы для низкоэнергетических поверхностей. Они основаны на рассмотрении энергии межмолекулярного взаимодействия в твёрдых телах. Однако они не учитывают структуру твёрдых
тел и позволяют приблизительно оценить величину поверхностного натяжения.
Экспериментальные косвенные методы основаны на изучении размерных эффектов, таких как температуры плавления или растворимость.
Также значения поверхностного натяжения твёрдых тел можно найти,
определяя работу их диспергирования. Все эти методы применимы ограниченно и недостаточно точны.
Для полимеров одним из наиболее часто используемых экспериментальных методов оценки поверхностного натяжения является метод, заключающийся в определении критического поверхностного натяжения
смачивания σкр. Критическим поверхностным натяжением смачивания
называют такое значение σжг, которое соответствует полному смачиванию
различными жидкостями одной низкоэнергетической поверхности.
Это возможно, если для поверхности соблюдается следующее условие:
при уменьшении поверхностного натяжения σжг значения cos θ линейно
растут. Также принято следующее допущение: величина σкр определяется
свойствами смачиваемого твёрдого тела и практически не зависит от природы и свойств наносимых жидкостей. Экстраполяцией зависимости
cos θ = f (σжг) до значения cos θ = 1 находят значение σжг, которое и соответствует критическому поверхностному натяжению смачивания.
Доказательством этого равенства служит правило Антонова: межфазное натяжение на границе двух несмешивающихся жидкостей равно
разности значений поверхностного натяжения их взаимно насыщенных
растворов на границе с воздухом. При условии cos θ = 1 запишем:
32
σтж = σжг  σтг .
(6.1)
В то же время из уравнения Юнга (5.4) при условии полного смачивания твёрдой поверхности:
σтж = σтг  σжг .
(6.2)
Отсюда при полном смачивании твёрдого тела σтг = σжг и σкр = σтг.
Условием выполнения этого равенства является следующее: необходимо,
чтобы межфазное натяжение σтж было равно нулю или хотя бы величины
σтг и σжг были много выше значения σтж. Это условие реализуется лишь
в случае низкоэнергетических поверхностей.
Работа адгезии между твёрдой и жидкой фазами определяется
по уравнению Дюпре  Юнга (5.3). Зная значения критического поверхностного натяжения смачивания, можно рассчитать работу адгезии
между смачивающей жидкостью и твёрдой подложкой. В случае линейной
зависимости cos θ = f (σжг) можно записать, что
cos θ  1  b  σ жг  σ кр  ,
(6.3)
где b – тангенс угла наклона прямой cos θ = f (σжг) к оси абсцисс.
Если твёрдая поверхность достаточно однородна и практически не имеет
шероховатостей, экспериментально измеряемые статические углы близки
к равновесным краевым углам. Поэтому в соответствии с уравнениями
(5.3) и (6.3) имеем:
Wa  σ жг  2  bσ кр   bσ 2жг .
(6.4)
Это уравнение для Wa представляет собой уравнение параболы, вершина которой находится при σ жг  1/ b  0,5σ кр . Таким образом, максимальная работа адгезии равна:
2
Wаmax  1/ b  σкр  0,25bσкр
.
(6.5)
Соотношения (6.4) и (6.5) хорошо согласуются с экспериментальными данными для многих систем. Значения σкр для некоторых полимеров,
определённые при 20 °С, приведены в табл. А.2.
33
Экспериментальная часть
Цель работы: определение критического поверхностного натяжения
и расчёт работы адгезии между исследуемым полимером и жидкостями,
имеющими различное поверхностное натяжение.
Приборы и реактивы:
1) установка для определения краевого угла;
2) прибор для измерения поверхностного натяжения;
3) конические колбы с притёртыми пробками ёмкостью 50 мл;
4) микрошприц;
5) пластинки или плёнки полимера (указывает преподаватель);
6) жидкости с различным поверхностным натяжением (указывает
преподаватель).
Определяют краевые углы θ при смачивании полимера чистыми
жидкостями с различными значениями поверхностного натяжения. Подготовку исследуемых полимерных пластинок и определение краевых углов
проводят по методике, приведённой в лабораторной работе № 5. Краевой
угол для каждой жидкости измеряют три раза и значение θ находят
как среднее арифметическое.
Поверхностное натяжение исследуемых жидкостей определяют методом, приведённым в лабораторной работе № 1, или используют табличные данные. Результаты измерений записывают в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Экспериментальные и расчётные данные для определения σкр и Wa
Смачивающая
жидкость
1
σжг,
Дж/м2
2
θлев,
град
3
θправ,
град
4
θ, град
cos θ
cos θкр
5
6
7
Wa ,
Дж/м2
8
На основе полученных данных строят зависимость cos θ = f (σжг)
и экстраполяцией прямой до cos θ = 1 определяют σкр. По формуле (6.4)
рассчитывают значения работы адгезии Wа между полимером и исследуемыми жидкостями и строят кривую Wа = f (σжг).
Контрольные вопросы
1. Что такое критическое поверхностное натяжение смачивания?
Методы его измерения.
2. Методы определения поверхностного натяжения на границе раздела «твёрдое тело – газ».
3. Что такое высоко- и низкоэнергетические поверхности? Приведите примеры.
4. В чём заключается правило Антонова?
34
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7.
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Теоретическая часть
Коллоидные системы по размерам частиц дисперсной фазы занимают
промежуточное положение между истинными растворами (более 10 –9 м)
и грубодисперсными системами (10–5–10–6 м). Условиями их получения являются: малая растворимость полученного соединения и наличие в системе
стабилизатора-электролита или вещества, которое адсорбируется на поверхности образующейся коллоидной частицы и предупреждает её слипание с другими частицами (агрегативная устойчивость). Для этого необходимо создание на поверхности частиц защитных слоёв: двойных ионных
слоёв, вызывающих электростатическое отталкивание (электростатический
фактор устойчивости), и сольватных или адсорбционно-сольватных слоёв,
препятствующих в силу своих особых структурно-механических свойств
соприкосновению и слипанию частиц (структурно-механический фактор
стабилизации). Кроме того, концентрация электролита, не являющаяся
стабилизатором в такой системе, не должна превышать порога коагуляции,
т. к. в противном случае золь будет неустойчивым и скоагулирует. Коллоидные системы могут быть получены двумя путями: конденсацией молекул или ионов (метод конденсации) и дроблением более крупных частиц
до нужной степени дисперсности (метод диспергирования).
К конденсационным методам получения дисперсионных систем
относятся физическая и химическая конденсация.
Физическая конденсация – конденсация молекул одного вещества
(будущей дисперсной фазы) в другом (будущей дисперсной среде). Практически это может быть осуществлено различными путями – например,
пропусканием паров одного вещества в другое.
Одним из примеров физической конденсации может быть метод замены растворителя: молекулярный раствор какого-либо вещества постепенно, при перемешивании прибавляют к жидкости, в которой это вещество нерастворимо. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных частиц.
Химическая конденсация – получение коллоидных систем с помощью химических реакций.
Коллоидные растворы могут быть получены с помощью реакций
различных типов: двойного обмена, восстановления, гидролиза и др.
35
Наиболее распространены методы, при которых труднорастворимое
вещество образуется в результате химических реакций, протекающих
в той среде, которая в дальнейшем называется дисперсионной.
При получении коллоидных растворов необходимо вести реакцию
в разбавленном растворе, чтобы скорость роста кристаллических частиц
была невелика, тогда частицы получаются мелкими (10–7–10–9 м) и системе
будет обеспечена седиментационная устойчивость. Кроме того, одно из реагирующих веществ должно быть взято в избытке. Это обеспечит образование на поверхности двойного электрического слоя основного фактора агрегативной устойчивости.
Следует отметить, что золи будут наиболее устойчивыми тогда,
когда в результате реакции получается небольшое количество электролитов.
Основными диспергационными методами получения коллоидных
систем являются механическое диспергирование и физико-химическое
дробление.
Механическое диспергирование – измельчение твёрдых тел в данной
среде в присутствии стабилизаторов в шаровых или коллоидных мельницах, а также с помощью вибрационных измельчителей или ультразвука,
вольтовой дуги и т. д.
Дробление до частиц малых размеров требует большой затраты работы, т. к. поверхность раздела между фазами в таких системах весьма велика.
Физико-химическое дробление – дробление рыхлых осадков,
в которых имеются отдельные частицы дисперсной фазы, разделённые
прослойками дисперсионной среды. Их непосредственному соприкосновению мешают либо двойные ионные слои (они имеют небольшую толщину,
но всё же не дают частицам слипаться), либо сольватные оболочки, имеющиеся на поверхности частиц. Как первая, так и вторая причина обеспечивают отталкивание частиц на близких расстояниях, тогда как на более далёких преобладают силы межмолекулярного притяжения, не дающие частицам разойтись за счёт теплового движения.
Перевести такой осадок в коллоидный раствор (пептизировать)
можно разными способами.
1. Адсорбционная пептизация – в этом случае отталкивание частиц
осадка друг от друга вызывается двойными ионными слоями, образуемыми
на поверхности частиц за счёт адсорбции ионов добавляемого электролита-пептизатора.
36
2. Пептизация путём поверхностной диссоциации связана с образованием двойного ионного слоя в результате диссоциации молекул, находящихся на поверхности твёрдой фазы. Пептизатор в этом случае способствует процессу диссоциации (например, вызывает образование на поверхности частиц растворимых соединений).
3. Пептизация путём промывания осадка применяется тогда,
когда на поверхности частиц, образующих осадок, есть двойные ионные
слои, но они сжаты, т. к. концентрация электролита достаточно большая.
При промывании такого осадка водой концентрация электролита в нём
уменьшается, двойные ионные слои увеличивают свою толщину, силы
электростатического отталкивания между частицами действуют на более
далёкие расстояния и вызывают коллоидное растворение осадка.
Мицелла – это отдельная частица дисперсной фазы коллоидной
системы с жидкой дисперсной средой. Рассмотрим образование мицеллы
на примере реакции нитрата серебра с хлоридом калия:
KCl + AgNO3 → AgCl↓ + KNO3.
Избыток одного из компонентов действует как стабилизатор коллоидного раствора. Пусть в избытке находится AgNO3. Вначале образуется
агрегат мицеллы, являющейся мельчайшим кристалликом (см. рис. 7.1).
На поверхности кристалла AgCl имеются вакантные места, которые занимают ионы Ag+, находящиеся в избытке. Иными словами, ионы Ag+ вследствие избирательной адсорбции достраивают кристаллическую решётку.
Они придают поверхности ядра положительный заряд и называются потенциалопределяющими ионами. Ионы NO3–, образующиеся при диссоциации AgNO3, имеют отрицательный заряд (противоположный заряду поверхности). Под действием электростатических сил ионы NO3– притягиваются к ядру, нейтрализуя его заряд. Они носят название противоионов.
Рис. 7.1. Схематическое строение коллоидной мицеллы
37
Противоионы находятся в тепловом движении. Часть противоионов
(n – x), находящихся в непосредственной близости от ядра, связаны с ним,
помимо электростатических сил, адсорбционными силами, образуя адсорбционный слой. Агрегат вместе со слоем потенциалопределяющих
ионов и противоионов называется коллоидной частицей, которая имеет
электрический заряд (совпадающий с зарядом потенциалопределяющего
слоя).
Другая часть противоионов (x), вследствие теплового движения
и электростатического отталкивания между одноимёнными ионами, находится на некотором удалении от ядра, образуя диффузионный слой. Заряды потенциалопределяющих ионов и противоионов полностью скомпенсированы, поэтому мицелла электронейтральна.
Потенциалопределяющим ионом может быть любой ион, способный
достраивать кристаллическую решётку нерастворимого соединения. Различают три типа потенциалопределяющих ионов:
1) ионы, одноимённые с ионами агрегата:
{m[FePO4] nPO3–4 3(n – x)Na+} 3xNa+;
2) изоморфные ионы (т. е. ионы, имеющие близкое строение по отношению к ионам кристаллической решётки):
{m[AgI] nCl– (n–x)K+} xK+
(иону I– изоморфны ионы галоидов Cl–, Br–);
3) органические ионы большого размера, обладающие высокой адсорбционной способностью, например, соли жирных кислот, являющихся
стабилизаторами латексов:
{m[П] nRCOO– (n – x)Na+} xNa+.
Можно сформулировать следующие принципы построения мицелл:
1) агрегат мицеллы должен быть нерастворимым соединением;
2) потенциалопределяющими ионами могут быть ионы, входящие
в дисперсную фазу, изоморфные им ионы, органические ионы с высокой
адсорбционной способностью;
3) противоионы образуют с потенциалопределяющим ионом растворимое соединение;
4) мицелла в целом электронейтральна.
38
Знак заряда коллоидных частиц в окрашенных золях можно определить методом капиллярного анализа. Метод основан на том, что целлюлозные стенки капилляров фильтровальной бумаги заряжаются отрицательно,
а пропитывающая бумагу вода – положительно. Если на листок бумаги
нанести каплю исследуемого золя, то частицы, заряженные положительно,
адсорбируются на стенках капилляров, поэтому золь с положительными
частицами даёт окрашенное в центре и бесцветное по краям пятно. Золь
с отрицательно заряженными частицами, не адсорбирующимися на стенках капилляров, образует равномерно окрашенное пятно.
Экспериментальная часть
Цель работы: освоение методики получения золей; определение заряда коллоидных частиц; построение формул мицелл полученных золей.
Приборы и реактивы:
1) пипетки ёмкостью 1, 2, 5 мл;
2) пробирки;
3) штатив для пробирок;
4) фильтровальная бумага;
5) водные растворы: 1,5 % KMnO4; 1 % Na2S2O3; 20 % K4[Fe(CN)6];
FeCl3, насыщенный на холоде и насыщенный при t = 25 °С; 10 % CuSO4;
20 % (NH4)2CO3; 30 % AlCl3; 2 % CrCl3; 10 % Na2HPO4; насыщенный
при t = 25 °С раствор серы в ацетоне.
Опыт № 1. Золь диоксида марганца
Соль марганца восстанавливают тиосульфатом натрия. Для этого
одну каплю 1,5%-го раствора KMnO4 разбавляют водой до 5 мл. В разбавленный раствор вводят по каплям 0,5-1 мл 1%-го раствора Na2S2O3. Образуется вишнёво-красный золь MnO2.
Опыт № 2. Золь берлинской лазури
1. 0,05 мл 20%-го раствора K4[Fe(CN)6] разбавляют водой до 10 мл.
К разбавленному раствору добавляют одну каплю насыщенного раствора
FeCl3. Образуется прозрачный синего цвета золь берлинской лазури.
От двух капель раствора FeCl3 золь ещё больше синеет.
2. 0,01 мл насыщенного на холоде раствора FeCl3 вводят в 10 мл
воды. В разбавленный раствор вводят при взбалтывании две капли 20%-го
раствора K4[Fe(CN)6]. Образуется золь берлинской лазури синего цвета.
39
Опыт № 3. Золь Cu2[Fe(CN)6]
0,05 мл 20%-го раствора K4[Fe(CN)6] разбавляют водой до 10 мл.
В разбавленный раствор прибавляют три-четыре капли 10%-го раствора
CuSO4 при взбалтывании. Образуется красно-бурого цвета золь Cu2[Fe(CN)6].
Опыт № 4. Золь серы
К 5 мл воды добавляют при взбалтывании 0,1 мл насыщенного
(без нагревания) раствора серы в ацетоне (из капельницы). Образуется
голубовато-белый золь серы в воде с отрицательно заряженными коллоидными частицами.
Опыт № 5. Золь гидроксида железа (III)
0,1 мл насыщенного раствора хлорида железа (III) разбавляют водой
до 1 мл и 0,1 мл разбавленного раствора вводят при взбалтывании в 2,5 мл
20%-го раствора (NH4)2CO3. Образуется красновато-бурый золь гидроксида железа.
Опыт № 6. Золь гидроксида алюминия
1 мл 20%-го раствора (NH4)2CO3 разбавляют водой до 10 мл.
К этому разбавленному раствору добавляют при взбалтывании каплю
(около 0,02 мл) 30%-го раствора AlCl3. Образуется бесцветный опалесцирующий золь гидроксида алюминия.
Опыт № 7. Золь гидроксида хрома (III)
Гидроксид хрома получают в результате взаимодействия хлорида
хрома (III) с карбонатом аммония. Для этого 1 мл 2%-го раствора CrCl3
разбавляют водой до 10 мл. К разбавленному раствору прибавляют
при встряхивании по каплям около 0,5 мл 20%-го раствора (NH4)2CO3
до тех пор, пока выпадающий осадок гидроксида будет растворяться
уже с трудом. Образуется мутновато-зелёный золь гидроксида хрома.
Опыт № 8. Золь гидрофосфата железа (III)
0,5 мл насыщенного раствора FeCl3 разбавляют водой до 5 мл.
К этому раствору прибавляют по каплям при взбалтывании 10%-й раствор
Na2HPO4 до тех пор, пока перестанет растворяться выпадающий фосфат
железа. Образуется зеленовато-белёсый золь фосфата железа (III).
40
Опыт № 9. Золь фосфата алюминия
0,5 мл 30%-го раствора AlCl3 разбавляют до 10 мл. К этому раствору
прибавляют по каплям при взбалтывании 10%-й раствор Na2HPO4
до тех пор, пока появляющиеся хлопья фосфата алюминия уже растворяются с трудом. Образуется бесцветный золь фосфата алюминия.
Определите методом капиллярного анализа знак заряда полученных
коллоидных частиц. Постройте формулы мицелл.
Контрольные вопросы
1. Какими методами получают лиофобные дисперсные системы?
2. Как можно регулировать размеры частиц лиофобных дисперсных
систем, получаемых методом конденсации?
3. Строение мицеллы лиофобного золя. Приведите примеры.
4. Методы определения знака заряда коллоидных частиц.
41
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8.
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
В КОЛЛОИДНОЙ СИСТЕМЕ НА ПРИМЕРЕ ЭЛЕКТРОФОРЕЗА
Теоретическая часть
Как известно из электрохимии, на границе раздела твёрдой фазы
и раствора образуется двойной электрический слой (далее – ДЭС). Он возникает либо за счёт диссоциации поверхностных молекул твёрдого тела
(диссоциативный механизм образования ДЭС), либо за счёт адсорбции
некоторых видов ионов из раствора (адсорбционный механизм). Поверхность при этом приобретает заряд, знак которого задают потенциалопределяющие ионы. Чтобы скомпенсировать этот заряд, из раствора подходят
ионы противоположного знака (противоионы). Часть их подходит близко,
связывается прочно, образуя плотный слой внешней обкладки ДЭС (слой
Гельмгольца или адсорбционный слой), а другая часть благодаря молекулярному тепловому движению образует диффузный, размытый слой внешней обкладки (слой Гуи). Толщина слоя Гельмгольца δ принимается равной диаметру противоионов. Диффузный слой слабо связан с твёрдой фазой, так что ионы, входящие в его состав, могут перемещаться относительно поверхности, и поэтому граница между плотным и диффузным слоями
внешней обкладки ДЭС является границей скольжения фаз.
Электрический потенциал внутри ДЭС распределяется между плотной и диффузной частями ДЭС (рис. 8.1). Потенциал, соответствующий
границе скольжения фаз (линия АВ), называют ζ-потенциалом (или электрокинетическим потенциалом). Он является важной характеристикой коллоидной системы и в значительной мере определяет устойчивость коллоидов.
Рис. 8.1. Строение двойного электрического слоя
42
Существование ДЭС и электрокинетического потенциала – причина
электрокинетических явлений: электрофореза (движение коллоидных частиц в электрическом поле), электроосмоса (движение дисперсионной среды относительно дисперсной фазы в электрическом поле) и обратных им
процессов (потенциал течения и потенциал седиментации). Все они широко применяются в технике, играют большую роль в коллоидной химии
и смежных дисциплинах.
Коллоидная частица, рассматриваемая совместно с ионной атмосферой ДЭС, электронейтральна. Однако при наложении электрического поля
ионы обкладки, слабо связанные с частицей, начинают двигаться в сторону
противоположно заряженного электрода. Сама же частица вместе с плотным слоем ионов внешней обкладки приобретает направленное движение
в другую сторону. Такова упрощённая качественная картина возникновения электрофореза.
При неподвижной дисперсной фазе ионы диффузной обкладки
во время движения увлекают за собой дисперсионную жидкость за счёт
существования вязких сил в этой среде, что и приводит к электроосмосу.
На такой же основе получили объяснение и другие электрокинетические
явления. Из сказанного ясно, что количественные характеристики последних связаны с величиной ζ-потенциала, который может быть рассчитан
по уравнению Гельмгольца – Смолуховского:
ζ=
ηuэф
ηu0
ζ
=
или
,
εε 0
εε 0 E
(8.1)
где E – напряжённость электрического поля;  – динамическая вязкость
дисперсионной среды;  – её абсолютная диэлектрическая проницаемость;
ε0 – электрическая постоянная, равная 8,85×10–12 ф/м; uэф = u0 / E – электрофоретическая подвижность (при электрофорезе); u0 – линейная скорость движения фаз.
Аналогичные соотношения связывают электрокинетический потенциал с электроосмотической скоростью, величиной потенциалов оседания
и протекания.
Для определения ζ-потенциала используется множество методов,
но наиболее простой и эффективный – метод электрофореза, проводимый
на установке, изображённой на рис. 8.2. Скорость электрофореза определяют макроскопически, отмечая движение границы раздела между прозрачной и боковой жидкостью и окрашенным коллоидным раствором
за время опыта по делениям, нанесённым на боковые трубки.
43
Рис. 8.2. Схема прибора для наблюдения электрофореза
Экспериментальная часть
Цель работы: определение знака заряда потенциалопределяющих
ионов коллоидной частицы; расчёт скорости электрофоретического перемещения ионов и ζ-потенциала.
Приборы и реактивы:
1) электрофоретическая ячейка;
2) источник постоянного тока;
3) колбы ёмкостью 200 мл;
4) стаканы ёмкостью 50 мл;
5) пипетки;
6) 20%-й раствор K4[Fe(CN)6];
7) насыщенный на холоде раствор FeCl3;
8) концентрированный раствор KCl.
Золь берлинской лазури [железа (III) гексацианоферрат (II)] получают по реакции хлорного железа и жёлтой кровяной соли:
3K 4 FeCN 6   4 FeCl 3  Fe 4 FeCN 6 3  12 KCl .
Чтобы золь берлинской лазури получить в коллоидном состоянии,
исходные компоненты необходимо взять в неэквивалентных количествах.
Вещество, взятое в избытке, будет образовывать двойной электрический
слой мицеллы и определять знак заряда коллоидной частицы.
Готовят раствор жёлтой кровяной соли малой концентрации, для чего в колбу со 150 мл дистиллированной воды вносят восемь-десять капель
20%-го раствора K 4 FeCN 6  . Затем при интенсивном перемешивании
вливают одну каплю насыщенного на холоде раствора FeCl3. Получают
золь берлинской лазури, стабилизированный K4[Fe(CN)6]. В этом случае
получают коллоидную частицу с отрицательным зарядом.
44
Для получения золи берлинской лазури с положительно заряженными коллоидными частицами в избытке берут хлорное железо. В колбу
со 150 мл дистиллированной воды вносят по одной капле насыщенного
на холоде раствора FeCl3. Затем при интенсивном перемешивании в каждую колбу пипеткой вливают по одной-две капли раствора K4[Fe(CN)6].
Получают золь берлинской лазури, стабилизированный FeCl3.
Знак заряда полученных золей проверяют методом капиллярного
анализа (см. лабораторную работу № 7).
Боковую жидкость готовят из 100 мл дистиллированной воды, добавляя в неё десять капель концентрированного раствора KCl. Заливают
боковую жидкость 4 до половины колен трёхколенной ячейки (рис. 8.2).
Закрепляют ячейку вертикально в штативе. Вставляют электроды 2 в крайние колена ячейки 1. Пипетку 3 заполняют исследуемым золем без пузырей и устанавливают её так, чтобы носик пипетки 3 располагался по центру среднего колена и не доходил до его дна на 3-5 мм. Осторожно вводят
золь в ячейку так, чтобы скорость подъёма жидкости в коленах была
очень мала. Когда электроды 2 окажутся погружёнными в жидкость
на 7-10 мм, пипетку аккуратно вынимают. В крайних коленах при этом
должна быть чёткая граница между золем и боковой жидкостью.
После этого включают источник питания и подают на электроды 2
напряжение 100–300 В по указанию преподавателя.
Измеряют изменение положений границ раздела «золь – контактная
жидкость» в течение 30-50 мин через каждые 2-4 мм. Определив сдвиг h
границы раздела «золь – контактная жидкость» за время τ, рассчитывают
электрофоретическую подвижность uэф:
uэф 
h
hL

,
τE τU
(8.2)
где L – расстояние между электродами в растворе; U – приложенная разность потенциалов.
Данные наблюдений заносят в табл. 8.1.
Таблица 8.1
Экспериментальные и расчётные данные для определения ζ-потенциала
Время τ, с
1
Смещение
границы
на аноде ha, м
2
U=
В; L =
Смещение
границы
на катоде hk, м
3
45
м
Скорость
электрофореза
uэ, м/с
4
ζ-потенциал, В
5
По данным табл. 8.1 строят график в координатах перемещения границы h – τ для правого и левого колена. Для расчёта величины
ζ-потенциала по уравнению (8.1) используют линейный участок графика.
Рассчитывают ζ-потенциал по данным скорости движения плоскости
скольжения в правом и левом коленах. По результатам наблюдений и расчётов делают вывод о величине и знаке ζ-потенциала.
Контрольные вопросы
1. Перечислите электрокинетические явления. Чем они обусловлены?
2. Перечислите возможные причины возникновения двойного
электрического слоя. Что понимают под толщиной диффузной части ДЭС?
Чем определяется толщина плотной и диффузной части ДЭС?
3. Что называют электрокинетическим потенциалом? Какие факторы
влияют на величину ζ-потенциала? Каким образом?
4. Сформулируйте основные положения теории Штерна (строения
двойного электрического тока).
5. Изобразите строение мицелл берлинской лазури, стабилизированных FeCl3 и K4[Fe(CN)6]. Проиллюстрируйте схематически строение ДЭС.
6. Приведите примеры технического применения электрокинетических явлений.
46
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9.
ИЗУЧЕНИЕ ОГРАНИЧЕННОГО НАБУХАНИЯ ПОЛИМЕРА
Теоретическая часть
Перед растворением высокомолекулярные соединения (далее – ВМС)
обычно набухают, т. е. поглощают низкомолекулярный растворитель, значительно увеличиваясь в массе и объёме. Набухание является первой стадией растворения полимеров и может происходить только при уменьшении свободной энергии системы. В отличие от растворения низкомолекулярных веществ, процесс смешения полимера и растворителя на первой
стадии протекает односторонне – растворитель проникает в полимер, тогда
как макромолекулы, обладающие малой скоростью диффузии, не переходят в растворитель.
Процесс набухания имеет химическую природу и, следовательно,
специфичен. Полимер набухает только в том растворителе, с которым
он взаимодействует, поэтому полярные полимеры набухают в полярных
жидкостях (белки в воде), а неполярные – в неполярных (каучук в бензине).
Набухание не всегда заканчивается растворением полимера. Часто
после достижения определённой степени набухания процесс прекращается
либо из-за ограниченной растворимости ВМС в данном растворителе,
либо из-за наличия в полимере поперечных химических связей, препятствующих отрыву макромолекул друг от друга и переходу их в раствор.
Вследствие этого к концу процесса образуется две фазы: насыщенный раствор растворителя в высокомолекулярном веществе (студень) и насыщенный раствор ВМС в низкомолекулярном растворителе. При большом числе
мостичных связей (например, у эбонита) пространственная сетка полимера
становится жёсткой, цепи утрачивают свою гибкость и полимер теряет
способность к набуханию.
С повышением температуры ограниченное набухание может переходить в неограниченное, т. е. полимер начинает растворяться. Начальная
стадия процесса характеризуется положительным тепловым эффектом
(выделяется теплота сольватации). В дальнейшем тепловой эффект Н ≈ 0,
но зато возрастает энтропия за счёт разрыхления сетки, и поэтому свободная энергия Гиббса остаётся отрицательной:
G  H  T S  0 .
47
(9.1)
Набухание твёрдого полимера в растворителе характеризуется степенью набухания α, выраженной через массу образца ВМС до начала (m0)
и после завершения процесса (m):

m  m0
.
m0
(9.2)
Очевидно, α численно равна массе жидкости, поглощённой 1 г полимера. При этом может происходить экстракция из образца низкомолекулярных фракций. Найденная величина α будет ниже той, которая соответствует набуханию в парах растворителя, согласно уравнению (9.2).
Процесс характеризуется также числом набухания n, представляющим собой отношение объёма обработанного полимера к объёму исходного образца:
m0 m1

0

n
,
m0
0
(9.3)
где m0 и m1 – массы исходного образца и поглощённого им к концу процесса растворителя; ρ0 и ρ – плотность полимера и растворителя соответственно.
Определяя степень набухания образца ВМС через различные промежутки времени, получают кривые, характеризующие кинетику процесса.
Аналитически эти кривые описываются кинетическим уравнением реакции
первого порядка:
dm1
 K (m1  m1τ ) ,
dτ
(9.4)
где K – константа скорости набухания; m1 – количество растворителя, поглощённого образцом к моменту времени τ. Набухание в простейшем случае кинетически протекает как реакция первого порядка, потому что скорость процесса определяется скоростью диффузии растворителя в полимер.
Интегрируя уравнение (9.4), имеем:
m1
1
K  ln 1
.
τ m  m1τ
48
(9.5)
Отсюда следует, что величину K можно определить графически,
представив опытную зависимость m1 = f (τ) в виде прямой линии:
ln  m1  m1τ   ln  m1   Kτ ,
(9.6)
тангенс угла наклона которой определяет константу скорости набухания.
Экспериментальная часть
Цель работы: получение кривых набухания полимера; расчёт величин константы набухания, числа и степени набухания ВМС.
Приборы и реактивы:
1) торсионные весы;
2) образец ВМС (указывает преподаватель);
3) растворитель (указывает преподаватель).
Для исследования кинетики набухания полимеров используют
гравиметрический метод с помощью торсионных весов. Маленький
образец полимера подвешивают на тонкой проволоке к весам, взвешивают
и опускают в стаканчик с растворителем. Вынимая образец из жидкости
через определённые промежутки времени, измеряют его увеличившуюся
массу и вычисляют массу поглощённого растворителя. Экспериментальные и расчётные данные заносят в табл. 9.1.
Таблица 9.1
Опытные данные по кинетике набухания полимера
Масса сухого образца m0 =
г; масса набухшего образца m =
г
Время
Масса
Количество
Степень
от начала поглощённой поглощённой
набухания ln  m1  m1τ  K, с–1 m1 , г
опыта
жидкости
жидкости
α
τ, с
m τ, г
V, мл
1
2
3
4
5
6
7
По результатам опыта строят кривую набухания m1 = f (τ), а также
график ln  m1  m1τ  = f (τ) для определения константы набухания K.
Вычисляют число и степень набухания.
49
Контрольные вопросы
1. Каковы особенности растворения полимеров? Какой процесс
называется набуханием?
2. В каких случаях наблюдается ограниченное и неограниченное
набухание?
3. Какие характеристики используют для описания процесса набухания? Что такое степень набухания и как она определяется?
4. Какова природа движущей силы процесса на различных его этапах?
5. Что такое дифференциальная теплота набухания? Как она изменяется со степенью набухания и почему?
6. Изобразите кривую набухания неограниченно набухающего полимера.
7. Какими коллоидно-химическими свойствами обладают растворы
ВМС?
50
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ
МИЦЕЛЛООБРАЗОВАНИЯ В РАСТВОРАХ ПАВ
Теоретическая часть
Возможность перехода растворов ПАВ в коллоидное состояние
во многом обуславливается дифильностью строения их молекул, т. е.
наличием у них полярной и неполярной частей. Благодаря этому молекулы ПАВ могут не только самопроизвольно адсорбироваться на самых различных границах раздела фаз, но и самопроизвольно ассоциировать в растворе, образуя т. н. мицеллы. Такие частицы в растворе возникают при
концентрации ПАВ, превышающей определённую концентрацию – критическую концентрацию мицеллообразования (далее – ККМ). В области
концентраций ниже ККМ мицеллы отсутствуют, а по достижении ККМ
их концентрация резко возрастает.
В водных растворах коллоидных ПАВ при концентрациях, соответствующих ККМ, образующиеся мицеллы имеют сферическую форму –
мицеллы Гартли, которые содержат от 20 до 100 молекул и характеризуются узким распределением частиц по размерам. При увеличении концентрации ПАВ сферические мицеллы начинают взаимодействовать друг
с другом, что приводит к их деформации и к последовательному изменению формы мицелл (цилиндрическая, пластинчатая и т. д.) при соответствующей им критической концентрации – ККМ2, ККМ3. Показано,
что вблизи ККМ (в узкой области концентраций ПАВ) происходит изменение физико-химических свойств раствора: светорассеяние, осмотическое
давление, эквивалентная и удельная электропроводность, поверхностное
натяжение и др. Этот факт используется для экспериментального определения ККМ.
Кондуктометрический метод
Кондуктометрическое определение ККМ основано на измерении
концентрационной зависимости электрической проводимости растворов
ионогенных коллоидных ПАВ. В области концентраций до ККМ зависимости удельной и эквивалентной электропроводности от концентрации
ПАВ соответствуют аналогичным зависимостям для растворов средних
по силе электролитов, т. к. происходит их диссоциация. При достижении
концентрации, соответствующей ККМ, на графиках зависимостей наблю51
дается излом, обусловленный образованием сферических ионных мицелл.
Подвижность мицелл Гартли меньше подвижности ионов, и, кроме того,
значительная часть противоионов находится в плотном слое Гельмгольца,
что существенно уменьшает электропроводность раствора ПАВ. Поэтому
при увеличении концентрации раствора ПАВ выше ККМ ход концентрационной зависимости эквивалентной электропроводности изменяется
(рис. 10.1).
Рис. 10.1. Зависимость удельной электропроводности раствора ионогенного ПАВ
от его концентрации
Метод определения поверхностного натяжения (тензиометрия)
Поверхностное натяжение растворов ПАВ уменьшается с ростом
концентрации. Однако при достижении ККМ в растворе начинают формироваться мицеллы Гартли и адсорбция из раствора замедляется, поверхностное натяжение практически не меняется. ККМ определяется как точка
перегиба кривой изотермы поверхностного натяжения (рис. 10.2). По изотермам поверхностного натяжения можно определить ККМ не только
ионогенных ПАВ, но и неионогенных.
Рис. 10.2. Зависимость поверхностного натяжения раствора ПАВ от его концентрации
52
Метод лежащей капли (определение угла смачивания)
Метод основан на измерении краевых углов смачивания водными
растворами ПАВ низкоэнергетических твёрдых поверхностей (гидрофобные полимеры – полиэтилен или политетрафторэтилен). Типичная зависимость Θ = f (ln CПАВ) приведена на рис. 10.3.
Рис. 10.3. Зависимость краевого угла смачивания Θ
от логарифма концентрации мицеллообразующего ПАВ
Вследствие адсорбции ПАВ на твёрдых поверхностях при СПАВ < ККМ
происходит уменьшение σжг и σтж, а σтг не меняется. В соответствии с законом Юнга
cos θ =
σ тг  σ тж
σ жг
(10.1)
краевые углы смачивания уменьшаются. При СПАВ ˃ ККМ значения удельных свободных поверхностных энергий не меняются и краевые углы практически не меняются. ККМ определяют как точку излома на зависимости
Θ = f (ln CПАВ).
Экспериментальная часть
Цель работы: определение критической концентрации мицеллообразования ПАВ кондуктометрическим методом, методом измерения поверхностного натяжения и методом лежащей капли.
Приборы и реактивы:
1) кондуктометр;
2) прибор для измерения поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке;
3) прибор для определения краевых углов смачивания;
4) колбы ёмкостью 50 мл;
53
5) пипетки ёмкостью 5, 10, 25 мл;
6) микрошприц;
7) пластинки полимера;
8) раствор ПАВ (указывает преподаватель).
Готовят десять концентраций раствора ПАВ последовательным разбавлением. Для чего мерной пипеткой отбирают 25 мл исходного раствора,
вносят в мерную колбу объёмом 50 мл и доводят дистиллированной водой
до метки. Из приготовленного раствора снова отбирают 25 мл, переносят
в следующую мерную колбу и доводят дистиллированной водой до метки.
Таким образом готовят остальные растворы. Во избежание образования
пены, воду в исходный раствор следует приливать по стенке сосуда и полученный раствор не взбалтывать.
Определение критической концентрации мицеллообразования полученных растворов проводят методом, указанным преподавателем.
1. При определении ККМ кондуктометрическим методом измеряют
удельную электропроводность дистиллированной воды и растворов ПАВ,
начиная с самого разбавленного раствора, получают зависимость æ = f (C)
и по излому кривой определяют ККМ.
Кондуктометр перед использованием калибруют с помощью стандартного раствора KCl. Удельная электропроводность растворов KCl в зависимости от температуры приведена в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Удельная электропроводность 0,1 N растворов хлористого калия (Ом–1×м–1)
t, °C
16
17
18
19
20
æ0, См/м
0,1173
0,1199
0,1225
0,1251
0,1278
t, °C
21
22
23
24
25
æ0, См/м
0,1305
0,1332
0,1359
0,1386
0,1413
2. При определении ККМ по изменению поверхностного натяжения
растворов ПАВ используют метод наибольшего давления в пузырьке. Методика описана в лабораторной работе № 1. По полученным данным строят графическую зависимость σ = f (C), по точке перегиба на кривой определяют ККМ.
3. Метод лежащей капли. Каплю исследуемого раствора помещают
на пластинку полимера и при помощи цифрового фотоаппарата делают
54
снимок профиля капли. Измерения начинают с самых разбавленных растворов, последовательно переходя к самым концентрированным. Полученные изображения обрабатываются на компьютере с помощью любого графического редактора. Используя возможности редактора, определяют угол
смачивания (методику для определения угла смачивания в графическом
редакторе Adobe Photoshop см. в прил. Б).
При исследовании смачивания большое значение имеет чистота пластинок, а также шприца и посуды, в которой готовят растворы. Поэтому
пластинки полимера следует брать аккуратно только за угол или ребро,
а шприц при смене раствора необходимо каждый раз тщательно промывать.
Готовят восемь-десять водных растворов ПАВ различной концентрации. Далее определяют краевые углы Θ на границах разделов «пластинка полимера – вода – воздух» и «пластинка полимера – раствор ПАВ –
воздух». Измерения краевых углов для каждой концентрации ПАВ проводят три раза и значения cos Θ находят как среднее арифметическое. Экспериментальные данные записывают в табл. 10.2.
Строят изотерму смачивания Θ = f (ln CПАВ). По излому на кривой
находят значение ККМ.
Таблица 10.2
Экспериментальные данные определения ККМ
Концентрация растворов
ПАВ CПАВ, моль/л
1
ln CПАВ
2
σжг,
мДж/м2
3
æ,
мСм/м
4
Θлев,
град
5
Θправ,
град
6
Θ,
град
7
Контрольные вопросы
1. Чем отличаются коллоидные ПАВ от истинно растворимых?
Что называют критической концентрацией мицеллообразования?
2. Какие методы определения ККМ существуют?
3. Почему при концентрациях выше ККМ поверхностное натяжение
растворов ПАВ не изменяется?
4. Какие факторы влияют на ККМ?
5. Как и почему влияет длина углеводородного радикала на ККМ
в разных по полярности растворителях?
6. От чего зависит форма мицелл в растворах коллоидных ПАВ?
55
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11.
СЕДИМЕНТАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ СУСПЕНЗИИ
МЕТОДОМ НЕПРЕРЫВНОГО ВЗВЕШИВАНИЯ ОСАДКА
Теоретическая часть
В реальных системах элементы, образующие дисперсную фазу,
никогда не бывают одинаковыми по своим размерам. В связи с этим задачей дисперсного анализа является нахождение закона распределения элементов дисперсной фазы по размерам. Анализ грубодисперсных систем
(порошков, суспензий) имеет особенно большое значение, поскольку дисперсность этих объектов определяет производственные показатели промышленных материалов (цементов, красок и т. п.).
Большинство методов седиментационного анализа основано на применении гидродинамического закона Стокса, согласно которому сила сопротивления F движению оседающей шарообразной частицы диаметром d
в жидкости с вязкостью η пропорциональна скорости движения частицы v:
F  3dv .
(11.1)
Если частица оседает в поле земного тяготения, то силой, вызывающей её движение, является сила тяжести Р, пропорциональная эффективной массе частицы:
P  (ρ  ρ0 )Vg ,
(11.2)
где ρ – плотность вещества частицы; ρ0 – плотность среды; V – объём частицы; g – ускорение свободного падения.
При равномерном оседании частицы F = P (т. е. сила тяжести уравновешена силой сопротивления среды), и для сферических частиц из уравнений (11.1) и (11.2) получим:
3πηrv 
1 3
πd (ρ  ρ0 )g ,
6
(11.3)
откуда
v
g (ρ  ρ 0 ) 2
d ;
18η
56
(11.4)
d
где K 
18ηv
 Kv ,
g (ρ  ρ0 )
(11.5)
18
– константа для конкретных условий опыта.
g   0 
Таким образом, скорость седиментации пропорциональна квадрату
диаметра частицы и обратно пропорциональна вязкости дисперсионной
среды. Зная скорость оседания, можно решить обратную задачу и найти
размер частиц.
Условия применимости закона Стокса к реальным дисперсным системам можно разбить на две группы:
1) условия, связанные со сделанными при выводе уравнения Стокса
допущениями;
2) условия, вытекающие из специфических особенностей изучаемых
объектов и влияния внешних факторов.
К первой группе условий относятся следующие:
1) частицы изучаемой системы должны обладать сферической формой;
2) частицы дисперсной фазы должны быть достаточно большими
по сравнению с молекулами дисперсионной среды;
3) оседающие частицы должны иметь постоянную скорость в течение всего времени наблюдения;
4) наблюдаемая частица должна оседать в безграничной среде,
т. е. на достаточном удалении от дна и стенок сосуда;
5) оседающие частицы должны быть твёрдыми и гладкими.
Основные условия, относящиеся ко второй группе:
1) оседающая система должна быть вполне устойчива, т. е. не коагулировать в процессе оседания или при взбалтывании;
2) дисперсионная среда в процессе оседания должна оставаться
вполне спокойной, т. е. не должно возникать никакого движения среды,
в том числе и конвекционных потоков, искажающих спокойное оседание
отдельных частиц;
3) оседающая частица должна обладать плотностью, одинаковой
по всему объёму, и не должна иметь на своей поверхности толстых защитных слоёв стабилизаторов и сольватных слоёв;
4) изучаемая система не должна содержать пузырьков воздуха
или газов, а также других частиц, движение которых направлено противоположно оседающим частицам изучаемой системы;
57
5) должно быть обеспечено постоянство температуры оседающей системы, так чтобы входящие в уравнение Стокса величины оставались постоянными.
Метод применяется для суспензий, эмульсий, порошков с размерами
частиц 1–100 мкм. В основе седиментационного анализа лежит нахождение зависимости массы осевших частиц mΣ от времени τ, т. е. построение
кривой седиментации.
Скорость оседания всех частиц в монодисперсной среде одинакова,
отстаивание будет равномерным, граница раздела суспензии и среды –
чёткой. Зависимость mΣ = f (τ) имеет в этом случае вид прямых, проходящих через начало координат, и описывается соотношением:
mmax
vτ ,
h
m 
(11.6)
где mmax – масса всех частиц в суспензии; h – высота её столба. Скорость
седиментации легко определяется по величине тангенса угла наклона прямых (tg φ = dmΣ/dτ = vmmax/h = K), это позволяет рассчитывать диаметр частиц:
d
Kh
.

(11.7)
Если в дисперсной системе содержатся частицы разных размеров
(полидисперсная система), зависимость mΣ = f (τ) имеет вид кривой
(рис. 11.1), выпуклой по отношению к оси времени, и стремится к пределу,
равному массе всех частиц в суспензии. Предполагая независимость осаждения частиц, можно представить эту кривую как результат наложения
бесконечного числа кривых седиментации монодисперсных систем.
В качестве прямолинейных участков при этом можно рассматривать бесконечно малые отрезки касательных, проведённых к кривой седиментации
к той или иной точке. Масса частиц mΣi , осевших к данному моменту времени τi , выражается уравнением Одена:
 dm 
mi  mi     τi ,
 dτ  τ  τi
где mi – масса частиц, осевших полностью к моменту времени τi .
58
(11.8)
Рис. 11.1. Кривая седиментации полидисперсной системы
При выражении массы осевших частиц m в долях (или процентах)
от
массы
всех
частиц
mmax,
имевшихся
в
суспензии,
mi
Q

× 100 % , уравнение Одена (11.8) принимает вид:
т. е. i
mmax
 dQ 
Qi  Qi     τi ,
 dτ  τ  τi
(11.9)
где QΣi – доля всех частиц (в процентах), накопившихся в осадке к моменту времени τi . Qi – доля частиц, осевших полностью к моменту времени τi .
Седиментационный анализ ведут путём обработки кривой оседания
(рис. 11.1) следующим образом. Разбивают кривую на несколько (восемьдесять) участков. На оси ординат отмечают величину mi , которая определяется отрезком, отсекаемым продолжением касательной к кривой в точке
τi , например, m1, которая характеризует массу частиц во фракциях, нацело
выпавших к моменту времени τ1. Т. к. диаметр частиц, прошедших за время τ1 всю высоту суспензии, d1  Kh 1 , то m1 – это масса частиц с d ≥ d1.
Аналогично, m2 есть количество порошка с d ≥ d2 =
Kh  2 и т. д.
Затем определяют относительную массу осевшего порошка (Q),
выраженную в процентах от общего содержания дисперсной системы
m1
× 100 % ,
в смеси. В этом случае mmax = 100 %, а величины Q1 
mmax
59
Q2 
m
m2
× 100 % , Q3  3 × 100 % , … представляют собой процентное
mmax
mmax
содержание фракций с диаметром d ≥ d1, d ≥ d2, d ≥ d3 соответственно.
Зависимость величины Q от диаметра частиц d (интегральная кривая распределения) позволяет определить процентное содержание порошка в различных фракциях. Например, для фракции, содержащей частицы размерами от d1 до d2, оно равно ΔQ1 = Q2  Q1 (рис. 11.2, а). Зависимость массовой функции распределения F = ΔQ / Δd от диаметра (дифференциальная кривая распределения) даёт более наглядное представление о распределении частиц (рис. 11.2, б).
Рис. 11.2. Интегральная (а) и дифференциальная (б) кривые
распределения частиц по размерам
Для построения графика функции F (d) используют интегральную
кривую распределения, разбив её на интервалы Δd и определив соответствующие приращения ΔQ. При этом полученные значения F (d) относят
к среднему для каждого интервала диаметру, т. е. F (d) = f (dср),
dср = |d2 – d1| / 2. Из рис. 11.2, б видно, что процентное содержание фракции
частиц с размерами от dср1 до dср2 характеризуется площадью участка
под кривой, а площадь под кривой равна массе всех частиц системы
(100 %, если массы выражены в процентах). На кривой можно выделить
три наиболее характерных для данного распределения размера частиц:
наименьший dmin, наивероятнейший dн, отвечающий максимальному
значению функции, и максимальный dmax. Чем больше полидисперсность
системы, тем шире дифференциальная кривая распределения частиц
и тем сильнее различаются dmin и dmax.
60
Изложенный выше способ построения кривых распределения называется методом касательных. Данный метод требует тщательных графических построений.
Одним из наиболее простых методов является аналитический метод,
предложенный Н. Н. Цюрупой. Согласно этому методу кривая седиментации описывается уравнением
Q  Qm

 Qm  ,
  0
(11.10)
где Qm и τ0 – некоторые постоянные, имеющие размерность QΣ и τ соответственно. Qm характеризует количество порошка, которое осядет за бесконечно большое время. Если масса измеряется в процентах и за 100 % принято количество порошка, осевшее за любой конечный промежуток времени, то Qm > 100 %. Если принять τ = τ0, то QΣ = Qm / 2, поэтому τ0 называют
половинным временем седиментации.
Из уравнения (11.9) общее количество частиц, седиментация которых завершилась к любому моменту времени τi :
 dQ i 
Qi  Qi     τi .
 dτ  τi
(11.11)
Подставляя в данное уравнение QΣi и QΣi /dτ в соответствии с уравнением (11.10), получим:
2
 i 
  Qm  i2 .
Qi  Qm 
 i   0 
(11.12)
Величину α можно выразить через размеры частиц:
i
d 02
,


i  0 d 02  di2
где d0 =
(11.13)
Kh 0 .
Из уравнений (11.12) и (11.13) следует:
2
 d2 
Qi  Qm αi2  Qm  2 0 2  .
 d 0  di 
61
(11.14)
Представленное уравнение является аналитическим выражением интегральной функции распределения. Уравнение дифференциальной кривой
распределения получено дифференцированием уравнения (11.14) по d:
dQi
di d 04
8Q
8Q
Fi 
 8Qm
 m αi2 αi 1  αi   m ε i .
3
d
d0
 d 2  d 2  d0
0
(11.15)
i
По уравнениям для интегральной и дифференциальной функций
распределения определяют три основных диаметра частиц, характеризующих полидисперсную систему:
 минимальный –


dmin  d0 0,1 Qm  1
12
;
(11.16)
 наивероятнейший –
dн  d0 / 2, 24 ;
(11.17)
dmax  3d0 .
(11.18)
 максимальный –
Степень полидисперсности, характеризующая систему, равна
СП 
d max
3

12
d min
0,1 Qm  1


(11.19)
и зависит только от Qm, а значение наивероятнейшего диаметра, характеризующего дисперсность порошка, – только от d0. Таким образом, в методе
Н. Н. Цюрупы седиментационный анализ сводится к нахождению двух коэффициентов – Qm и d0, которые находят по линеаризованному седиментационному уравнению:



 0 
.
Q Qm Qm
(11.20)
Тангенс угла наклона прямой τ/QΣ = f (τ) к абсциссе равен 1/Qm, а отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен τ0/Qm, откуда находят τ0, затем –
d0. Получив численные значения констант Qm и d0, рассчитав ряд значений
диаметров, с помощью уравнений (11.14) и (11.15) строят интегральную
и дифференциальную кривые распределения.
62
Экспериментальная часть
Цель работы: получение кривой седиментации для низкодисперсного порошка; построение интегральной и дифференциальной кривых распределения; определение гранулометрического состава порошка.
Приборы и реактивы:
1) торсионные весы;
2) чашечка для взвешивания;
3) высокий стакан или стеклянный цилиндр ёмкостью 500-700 мл;
4) анализируемый порошок (например, мелкодисперсный оксид
кремния, сульфат бария, оксид алюминия);
5) жидкость, применяемая в качестве дисперсионной среды (указывает преподаватель);
6) секундомер;
7) мешалка (стеклянная палочка с резиновым наконечником).
Седиментационный анализ проводят при помощи торсионных весов
(рис. 11.3) с чашечкой диаметром 1-2 см из тонкой фольги и высокого стакана.
Рис. 11.3. Схема торсионных весов: 1 – арретир; 2 – стрелка весов; 3 – риска;
4 – рычаг уравновешивания; 5 – стрелка циферблата; 6 – крючок для чашки;
7 – стеклянный цилиндр или высокий стакан; 8 – чашка
Перед опытом необходимо взвесить чашечку в дисперсионной среде,
т. е. определить показание торсионных весов m0. Для этого следует погрузить её в стакан с дистиллированной водой (или другой дисперсионной
средой по заданию преподавателя) и уравновесить весы. Для проведения
измерений (рис. 11.3) арретир весов 1 перемещают в крайнее правое положение (при этом стрелка циферблата 5 должна находиться против нуля
63
шкалы). Стрелка 2 при этом отклоняется влево от риски 3. Осторожным
поворотом рычага 4 против часовой стрелки совмещают стрелку 2 с
риской 3. Отсчитывают показания (в мг) по положению стрелки 5. Одновременно измеряют глубину погружения чашечки (h). Расстояние от чашечки до дна стакана должно быть не более 2-3 см, от дна чашечки до поверхности суспензии – h ≈ 15-20 см. Затем необходимо вынуть чашечку из
стакана, не выливая из неё воды (это облегчит погружение в исследуемую
суспензию).
Для приготовления суспензии определённое количество (0,5–1,5 %,
точная концентрация суспензии задаётся преподавателем) исследуемого
порошка вносят в стакан с дистиллированной водой. Перемешивают палочкой с резиновым наконечником до равномерного распределения частиц
по объёму. Окончив перемешивание, быстро устанавливают стакан у весов, сразу же погружают в него чашечку, подвешенную на крючок коромысла весов. Одновременно с погружением включают секундомер.
В начальный момент оседают самые большие частицы, и масса чашечки изменяется быстро. Для получения начального участка кривой седиментации необходимо, включив секундомер, сразу добиваться равновесия весов, совмещая стрелку 2 с риской 3. Совместив, записывают первый
отсчёт массы чашечки mизм и времени τ. По мере отклонения стрелки 2
влево, возвращают её в положение равновесия, стараясь как можно чаще
производить отсчёты массы и времени. Желательно, чтобы изменение массы между соседними точками не превышало 5–10 мг. Измерение заканчивают, когда изменение массы будет составлять не более 2 мг за 10 мин.
Для каждого измерения определяют массу осадка mΣ = mизм – m0, по формуле (11.7) рассчитывают диаметр частиц d. Результаты записывают
в табл. 11.1 и строят кривую седиментации mΣ = f (τ). При этом необходимо
выбрать масштаб, удобный для дальнейшего графического расчёта.
Таблица 11.1
Экспериментальные результаты седиментационного анализа суспензии
Время от начала опыта τ, с
1
h=
м
Масса чашечки с осадком mизм, кг
2
mΣ = mизм – m0, кг
3
Для построения интегральной и дифференциальной кривых распределения используют метод касательных или аналитический метод
Н. Н. Цюрупы.
64
Таблица 11.2
Результаты обработки кривой седиментации по методу касательных
Диаметр частиц di, м
Qi, %
Δd = di –di+1, м
ΔQi, %
Fi
1
2
3
4
5
d ср.i =
Δd
,м
2
6
Диаметры dmin, dн, dmax определяют из дифференциальной кривой
распределения.
При обработке данных по методу Н. Н. Цюрупы стоят кривую седиментации в координатах τ/QΣ = f (τ). Определяют константы Qm и d0, вычисляют dmin, dн, dmax и рассчитывают Qi и Fi . Результаты расчётов записывают в табл. 11.3.
Таблица 11.3
Результаты обработки данных седиментационного анализа
по методу Н. Н. Цюрупы
Диаметр частиц di, м
1
QΣi 
mΣi
mmax
×100 %
2
τ/QΣi
ΔQi,, %
Fi
3
4
5
В обоих случаях строят графики кривых распределения частиц
по размерам, рассчитывают степень полидисперсности.
Контрольные вопросы
1. Какова цель дисперсного анализа? Какие данные, характеризующие изучаемую дисперсную систему, можно получить из кривых распределения?
2. Оцените приближённо удельную площадь поверхности изученной
дисперсной системы.
3. Запишите расчётные уравнения, назовите условия их выполнимости. Соблюдены ли эти условия в вашем эксперименте?
4. Какие условия соблюдения закона Стокса при седиментации?
Какие отклонения наблюдаются при несоблюдении этих условий?
5. Что такое константа седиментации и что она характеризует?
Напишите выражения для константы седиментации?
6. Какие системы называют монодисперсными и полидисперсными?
Какими параметрами характеризуют полидисперсность?
7. Изобразите дифференциальную функцию распределения для монодисперсной системы.
65
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12.
ИЗУЧЕНИЕ КОАГУЛЯЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ
ГИДРОЗОЛЯ ЖЕЛЕЗА
Теоретическая часть
Проблема устойчивости – проблема «жизни и смерти» дисперсной
системы – одна из важнейших в коллоидной химии. Лиофильные системы
диспергируются самопроизвольно, т. к. свободная энергия в таком процессе уменьшается и образуются термодинамически устойчивые коллоиды.
Лиофобные системы самопроизвольно не диспергируются, свободная энергия увеличивается, такие коллоиды термодинамически неустойчивы, однако кинетически они вполне устойчивы, не изменяются заметно
в течение длительного времени. Потеря устойчивости дисперсной системой приводит к её коагуляции – слипанию частиц с последующим разделением фаз.
Опытные наблюдения и теория коагуляции гидрофобных коллоидов
(ДЛФО) позволяют говорить о двух факторах устойчивости:
1) электростатическом барьере, обусловленном силами отталкивания
заряженных коллоидных частиц;
2) адсорбционно-сольватном барьере, окружающем частицу и препятствующем её сближению с другими частицами.
Первый фактор определяется величиной заряда и ζ-потенциала частицы, которые, в свою очередь, зависят от типа и концентрации ионов
в растворе. Любой электролит вызывает коагуляцию коллоидного раствора
при увеличении его концентрации до критического значения cк – порога
коагуляции. Обратную величину называют коагулирующей способностью
электролита. Коагулирующее действие оказывает противоион, и его способность возрастает пропорционально некоторой высокой степени его заряда – правило Шульце – Гарди. Таким образом, электролиты в коллоидном растворе понижают величину заряда и ζ-потенциала частицы и устраняют электростатический барьер.
В процессе коагуляции высокодисперсного золя гидроксида железа
образуются сравнительно небольшие по размерам седиментационноустойчивые агрегаты. Интенсивность светорассеяния коллоидных систем
существенно зависит от размеров частиц. С увеличением размеров частиц
интенсивность рассеянного света растёт и оптическая плотность золя D
повышается. Порог быстрой коагуляции находят по пороговому объёму
66
электролита Vк (мл), при котором оптическая плотность золя достигает
максимального значения, а при дальнейшем добавлении электролита
не изменяется (рис. 12.1).
Рис. 12.1. Зависимость оптической плотности золя от объёма электролита-коагулятора
Значение ск рассчитывают по формуле:
cк 
cэлVк
,
V
(12.1)
где сэл – концентрация введённого электролита, моль/л; V – объём системы, мл.
Второй фактор устойчивости коллоидов – адсорбционно-сольватный
барьер – зависит от степени лиофилизации дисперсной фазы. Ориентация
молекул в сольватных слоях приводит к свойствам, характерным для твёрдых тел (высокой вязкости, упругости) и препятствующим взаимопроникновению слоёв при сближении частиц. Многие золи имеют развитые
и прочные гидратные оболочки.
Ещё большего развития достигают сольватные слои при адсорбции
длинноцепочечных ПАВ и макромолекул ВМС. Эти вещества называют
стабилизаторами, а создаваемый ими барьер – структурно-механическим.
Защитная способность полимеров или ПАВ относительно золя характеризуется защитным числом S – количеством вещества, требуемого для стабилизации единицы объёма золя. Защитное число S (г/л золя) вычисляют
по уравнению:
S
ccтVзащ
,
V
(12.2)
где сст – концентрация раствора стабилизатора, г/л; Vзащ – объём раствора
стабилизатора, необходимый для предотвращения коагуляции золя, мл.
67
Значение Vзащ соответствует объёму стабилизатора в золе, содержащем пороговый объём Vк электролита, при котором на кривой зависимости
D = f (Vст) появляется нижний горизонтальный участок (рис. 12.2).
Рис. 12.2. Зависимость оптической плотности золя от объёма электролита-коагулятора
Оба вида устойчивости взаимосвязаны и могут быть интерпретированы на одной основе. Дерягин ввёл понятие расклинивающего давления,
суть которого заключается в следующем: при сближении частиц на малое
расстояние их ионные атмосферы и сольватные слои перекрываются, концентрация ионов и молекул ПАВ в узком зазоре между частицами увеличивается по сравнению с объёмом раствора. Следствие – появляется осмотическое давление растворителя, стремящееся выровнять концентрации
в этом узком промежутке.
Если система потеряла устойчивость и в ней произошла коагуляция,
то иногда можно провести обратный процесс (пептизацию) и перевести
коагулят в золь. Способ проведения пептизации зависит от причин, вызвавших коагуляцию. В случае концентрационной коагуляции, наступившей при с > ск, следует отмыть коагулят от электролита водой, используя
декантацию или диализ. В случае же адсорбционной коагуляции, связанной с уменьшением заряда частицы, необходимо повысить заряд и потенциал путём добавления электролита, содержащего потенциалопределяющие ионы.
Экспериментальная часть
Цель работы: освоение методики измерения оптической плотности;
определение порогов коагуляции золя электролитами, содержащими однои двухзарядные противоионы; определение защитного числа стабилизатора (высокомолекулярного соединения).
68
Приборы и реактивы:
1) спектрофотометр «Spekol 1 300»;
2) электрическая плитка;
3) коническая колба ёмкостью 250 мл;
4) пробирки ёмкостью 10 мл;
5) градуированные пипетки;
6) 2%-й раствор хлорида железа (III);
7) 0,00125 М раствор сульфата натрия;
8) 0,5 М раствор ацетата натрия;
9) 0,01%-й (мас.) раствор желатины.
В качестве исследуемого коллоидного раствора используют гидрозоль Fe(OH)3, который получают следующим образом: нагревают до кипения 250 мл дистиллированной воды и медленно, отдельными порциями
приливают 10 мл 2%-го раствора хлорида железа FeCl3, охлаждают
до комнатной температуры. Получается красно-коричневый золь.
Далее исследуют коагуляцию полученного золя, вводя в него раствор
ацетата натрия или сульфата натрия путём измерения оптической плотности полученных систем.
В десять пробирок наливают золь по 5 мл. Воду и электролит вливают по схеме, представленной в табл. 12.1.
Таблица 12.1
№ пробирки
Объём воды, мл
Объём электролита, мл
1
5
0
2
4,5
0,5
3
4,25
0,75
4
4
1
5
3,75
1,25
6
3,5
1,5
7
3,25
1,75
8
3
2
9
2,75
2,25
10
2,5
2,5
Общий объём системы в каждой пробирке составляет 10 мл. Электролит вводят в каждую пробу золя за 4 мин непосредственно перед измерением оптической плотности. Измеряют оптическую плотность золя
в каждой пробе с помощью спектрофотометра и полученные данные записывают в табл. 12.2. Методику определения оптической плотности золя
см. в прил. В.
Таблица 12.2
Результаты исследования коагуляции золя гидроксида железа оптическим
методом
Объём электролита Vэл, мл
1
Оптическая плотность золя D
Электролит CH3COONa
Электролит Na2SO4
2
3
69
Строят график зависимости D = f (Vэл) для Na2SO4 и CH3COONa,
по нему находят пороговые объёмы электролита Vк, вызывающие быструю
коагуляцию золя, и по формуле (12.1) рассчитывают значения ск. Сравнивают найденные значения ск для Na2SO4 и CH3COONa и делают вывод
о характере электролитной коагуляции исследуемого золя.
Для определения защитного числа полимера готовят десять растворов золя, стабилизированного полимером. Для этого в пробирки вливают
золь и растворы в объёме и последовательности, которые указаны в табл. 12.3.
Таблица 12.3
№ пробирки
Объём золя, мл
1
5
Объём воды, мл
Объём раствора
желатины, мл
Объём
электролита, мл
2,5
2
5
3
5
4
5
5
6
7
8
9
10
5
5
5
5
5
5
довести до 10 мл,
учитывая объёмы золя, раствора желатины, электролита
2
1,75
1,5
1,25
1
0,75
0,5
0,25
0
в объёме, равном Vк
Общий объём проб должен быть одинаковым и составлять 10 мл.
Через 15-20 мин после введения желатины (это время необходимо для адсорбции желатины на частицах гидрозоля), добавляют электролит-коагулянт,
объём которого соответствует Vк.
Измеряют оптическую плотность золя через 4 мин после введения
электролита, значения D записывают в табл. 12.4.
Таблица 12.4
Экспериментальные данные для определения защитного числа желатины
Объём желатины Vж, мл
1
Оптическая плотность золя D
2
Строят график зависимости D = f (Vж). Находят объём раствора
желатины Vзащ, необходимый для предотвращения коагуляции золя,
и по формуле (12.2) рассчитывают защитное число S.
Контрольные вопросы
1. Какой процесс называют коагуляцией? Что называется порогом
коагуляции золя?
2. Каково строение мицеллы золя Fе(ОН)3, стабилизированного
FеС13?
70
3. Какие ионы электролита-коагулянта, катионы или анионы вызывают сжатие двойного электрического слоя мицеллы исследуемого золя?
4. Может ли сульфат натрия вызывать перезарядку коллоидных частиц исследуемого золя? Обоснуйте свой ответ.
5. Сформулируйте правила электролитной коагуляции золей.
6. Какие ионы – положительные или отрицательные – обладают коагулирующим действием по отношению к золю:
а) с отрицательно заряженными частицами;
б) с положительно заряженными частицами?
7. Действием каких факторов обеспечивается агрегативная устойчивость лиофобных дисперсных систем? Какие вещества используются в качестве стабилизаторов?
71
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература
1. Гельфман М. И. Коллоидная химия / М. И. Гельфман, О. В. Ковалевич, В. П. Юстратов. СПб.: Лань, 2005. 336 с.
2. Гельфман М. И. Практикум по коллоидной химии: учеб. пособие /
М. И. Гельфман, Н. В. Кирсанова, О. В. Ковалевич. СПб.: Лань, 2005. 256 с.
3. Назаров В. В. Практикум и задачник по коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учеб. пособие / В. В. Назаров,
А. С. Гродский, А. Ф. Моргунов и др. М.: Академкнига, 2007. 374 с.
4. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие / Б. Д. Сумм.
М.: Академия, 2006. 240 с.
5. Щукин Е. Д. Коллоидная химия / Е. Д. Щукин, А. В. Перцов,
Е. А. Амелина. М.: Высшая школа, 2004. 445 с.
Дополнительная литература
1. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии / С. С. Воюцкий. М.: Химия, 1975. 512 с.
2. Канчукоев В. З. Определение профиля жидкой капли на твёрдой
поверхности / В. З. Канчукоев // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. № 2. С. 12–16.
3. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии / Д. А. Фридрихсберг. Л.: Химия, 1995. 385 с.
72
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Таблицы
Таблица А.1
Поверхностное натяжение воды при различной температуре
σ,
мДж/м2
0
75,62
Температура, °C
20
30
40
72,75
71,15
69,55
10
74,22
50
67,91
60
66,17
Таблица А.2
Значения σcr для некоторых полимеров
Полимер
Политетрафторэтилен
(тефлон)
Полидиметилполиксилан
Полипропилен
Полиэтилен
Полистирол
Полихлоропрен
Поливиниловый спирт
σcr, мДж/м2
18,5
24
29
31
33
36
37
Полимер
Полиметилметакрилат
Крахмал
Поливинилхлорид
Полиэтилентерефталат
Эпоксидные смолы
Целлюлоза
Мочевиноформальдегидная смола
73
σcr, мДж/м2
39
39
40
43
44–50
45
61
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Методика определения угла смачивания
в графическом редакторе «Adobe Photoshop»
Для определения величины краевого угла смачивания необходимо
иметь файл-фотографию. Далее открываем программу для обработки растровых изображений «Adobe Photoshop». После запуска программы открываем меню «File», в котором выбираем пункт «Open» (рис. Б.1).
Рис. Б.1. Открытие окна выбора файла-рисунка
Исполнение данной процедуры приводит к открытию окна выбора
файла-рисунка (рис. Б.2).
Рис. Б.2. Процедура выбора требуемого файла-рисунка
74
В появившемся окне, перемещаясь по файловой системе компьютера, указываем путь к месту расположения рисунка. После чего, указав курсором на файл (при этом в нижней части окна появляется изображение, содержащееся в файле), кликаем кнопку «Открыть».
Открывшееся в окне программы изображение (рис. Б.3) необходимо
увеличить. Для этого, выбрав на панели инструментов, находящейся слева,
пиктограмму с изображение лупы («Zoom tool»), выделяем курсором интересующий нас участок рисунка.
Рис. Б.3. Результат открытия файла-рисунка и увеличение рисунка
Однако в процессе фотографирования капли на подложке изображение может оказаться немного развёрнутым относительно горизонтальной
плоскости. Поэтому необходимо выполнить процедуру выравнивания рисунка, которая осуществляется посредством нескольких шагов.
На первом шаге определяем угол наклона рисунка относительно горизонтали (рис. Б.4).
На той же левой панели инструментов кликаем правой кнопкой мыши пиктограмму с изображением пипетки («Eyedropper tool»), в результате
чего появляется малая панель инструментов, состоящая из трёх разделов.
В ней необходимо выбрать инструмент для измерения «Линейка» /
«Measure tool» и курсором провести прямую линию вдоль поверхности,
на которой расположена капля (рис. Б.5).
75
Рис. Б.4. Результат увеличения изображения
и выбор инструмента для определения угла наклона
Рис. Б.5. Определение угла наклона рисунка относительно горизонтали
При этом программа автоматически определяет угол наклона рисунка, значение которого высвечивается на верхней панели инструментов после символа «A:».
На следующем шаге осуществляем поворот изображения (рис. Б.6).
Для этого заходим в меню «Image», в котором выбираем пункт «Rotate
Canvas» и далее «Arbitrary». В появившемся окне программа укажет
найденный ранее угол поворота рисунка (рис. Б.7), после чего нажимаем
кнопку «OK», что приведёт к повороту картинки.
76
Рис. Б.6. Выравнивание рисунка относительно горизонтальной плоскости
Рис. Б.7. Выравнивание рисунка относительно горизонтальной плоскости
Далее остаётся измерить искомую величину краевого угла смачивания. Данная процедура осуществляется снова описанным ранее инструментом для измерения (пиктограмма «Eyedropper tool» → малая панель
инструментов → «Measure tool»). Проводя курсором мыши касательную
прямую к поверхности капли в точке её соприкосновения с подложкой,
автоматически находим угол смачивания, значения которого указываются
на верхней панели инструментов после символа «A:» (рис. Б.8).
В рассмотренном примере приводилась ситуация, в которой жидкость слабо смачивает поверхность подложки. Подобная последовательность действий выполняется и для случая сильного смачивания (рис. Б.9).
77
Рис. Б.8. Определение величины краевого угла смачивания
Рис. Б.9. Определение величины краевого угла смачивания для смачиваемых поверхностей
78
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Методика измерения оптической плотности
с помощью спектрофотометра «Spekol 1 300»
«Spekol 1 300» представляет собой однолучевой спектрофотометр,
позволяющий измерить коэффициент пропускания и оптическую плотность твёрдых тел и жидкостей и определить концентрацию искомого вещества (элемента) по градуировочному графику.
Правила работы
1. Установите необходимую длину волны, используя клавиши [˄], [˅].
2. С помощью клавиши [MODE] выберите режим работы: «TRAN»
(измерение коэффициента пропускания) или «ABS» (измерение оптической
плотности).
3. Установите кювету с «нулевым» раствором в позицию 1 податчика
кювет.
4. В остальные позиции податчика поместите кюветы с образцами.
5. Закройте крышку кюветного отделения. Передвиньте кювету с нулевым образцом в световой пучок и установите показания табло «100%Т»
или «0 Abs», нажав на клавишу [100%Т].
6. Передвиньте податчик на позицию следующего образца и считайте с табло значение коэффициента пропускания (оптической плотности).
Примечание. Обратите внимание, что при установке податчика
во вторую позицию прибор будет показывать «0%Т». Для перехода на
первую кювету с пробой необходимо сделать два шага. Уровень жидкости
в кювете (по высоте) должен быть не менее 20 мм.
Построение градуировки
1. Нажимайте на клавишу [FUNC] до тех пор, пока на дисплее
не появится надпись «Create Standard Curve». Затем нажмите на клавишу
[ENT].
2. Введите количество градуировочных образцов (стандартов).
3. Установите в световой пучок первый стандарт.
4. Нажимая на клавиши [˄], [˅], введите значение концентрации
первого стандарта и подтвердите ввод, нажав на клавишу [ENT]. Затем,
используя клавиши [˄], [˅], установите на нужное место десятичную точку
и нажмите клавишу [ENT].
79
5. Установите в световой пучок следующий стандарт.
6. Нажимая на клавиши [˄], [˅], введите значение концентрации следующего стандарта и подтвердите ввод, нажав на клавишу [ENT]. Затем,
используя клавиши [˄], [˅], установите на нужное место десятичную точку
и нажмите клавишу [ENT].
7. Повторите указанные выше операции для остальных стандартов.
8. После того, как концентрации всех стандартов введены, прибор
вычисляет коэффициенты В, K и коэффициент корреляции R и на экране
появляется сообщение «Display curve?» («Показать градуировку?»).
Если вы хотите посмотреть градуировку, нажмите [ENT], если нет, то
нажмите [Р/С].
9. Если Вы вывели на экран новую градуировку, то при нажатии
на [ENT] она принимается, а при нажатии на [Р/С] – нет.
10. При принятии градуировки на экране появляется сообщение
«Print curve?» (Напечатать градуировку?). Если Вы хотите вывести градуировку и коэффициенты на печать, нажмите [ENT], если нет, то нажмите
[Р/С].
11. «Test sample?» (Измерить пробу?). Для измерения нажмите [ENT].
12. «Save parameters?» (Сохранить параметры?). Параметры
градуировок автоматически сохраняются под порядковыми номерами.
Если вы хотите сохранить градуировку, нажмите [ENT], если нет, то
нажмите [Р/С].
13. Заполните кювету исследуемой пробой и установите её в держатель (податчик). Закройте кюветное отделение. На экране будет показано
значение концентрации определяемого вещества.
Определение концентрации с использованием градуировки
1. Концентрация вычисляется по следующей формуле:
CONC = ABS × B + K,
(В.1)
где CONC – концентрация определяемого вещества в пробе; ABS – оптическая плотность пробы; В – угловой коэффициент уравнения градуировки;
K – свободный член уравнения градуировки.
2. Нажимайте на клавишу [MODE] до тех пор, пока на дисплее
не появится надпись «ABS». Установите кювету с нулевым раствором
(«бланк») в держатель. Закройте кюветное отделение.
3. Нажмите на клавишу [100%Т]. Удалите кювету с нулевым раствором
из держателя. Нажимайте на клавишу [MODE] до тех пор, пока на дисплее
не появится надпись «CONC».
80
Учебное издание
КОЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Учебно-методическое пособие
Составители:
Денисова Любовь Тимофеевна
Голубева Евгения Олеговна
Денисов Виктор Михайлович
Корректор Л. В. Боос
Компьютерная вёрстка И. В. Владимировой
Подписано в печать 24.06.2022. Печать плоская. Формат 60×84/16
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 5,0. Тираж 100 экз. Заказ №16431
Библиотечно-издательский комплекс
Сибирского федерального университета
660041, Красноярск, пр. Свободный, 82а
Тел.: (391) 206-26-16; http://bik.sfu-kras.ru;
E-mail: [email protected]
Для заметок
Для заметок