рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Поверхневий натяг

Поверхневий натяг - Конспект, раздел Химия, Короткий конспект лекцій з дисципліни хімічні основи харчових технологій Поверхневий Шар Рідин За Своїми Властивостями Суттєво Відрізняється Від Її Вн...

Поверхневий шар рідин за своїми властивостями суттєво відрізняється від її внутрішніх шарів. Кожна молекула, що знаходиться в об’ємі рідини, притягує до себе навколишні молекули й одночасно з такою ж силою притягується молекулами, що оточують її. Рівнодіюча сил міжмолекулярної взаємодії при цьому дорівнює нулю. В іншому стані перебувають молекули, що знаходяться в поверхневому шарі рідини. На них діють сили притягання тільки від молекул нижньої півсфери. Дією молекул газу, що знаходяться над поверхнею рідини, можна знехтувати. У цьому разі рівнодійна міжмолекулярних сил направлена від поверхні в об’єм рідини. Тобто молекули, що розташовані в поверхневому шарі, перебувають під дією сили, яка намагається втягнути їх усередину рідини (рис. 15.1).

 

Рисунок 15.1 – Схема міжмолекулярних

сил взаємодії на поверхні та в об’ємі рідини

 

Сила, що діє на одиницю довжини будь-якої межі поділу, називається поверхневим натягом або питомою поверхневою енергією – s.

Вимірюється поверхневий натяг у [Дж/м2] або [Н/м]. Так, поверхневий натяг води за температури 298 К дорівнює 72,75∙10–3 Дж/м2. При підвищенні температури поверхневий натяг зменшується і за критичної температури, коли зникає різниця між рідиною та її парою, дорівнює нулю.

Для вимірювання поверхневого натягу рідин існує низка методів: метод підняття в капілярі, метод лежачої краплі, метод відриву кільця, метод максимального тиску пухирця і т.д. Один з найпростіший з них – сталагмометричний. Сталагмометр являє собою скляну трубку, на якій нанесено дві позначки – А і Б; середня частина трубки має кулясте розширення (рис. 15.2). Нижній кінець сталагмометра відшліфовано у вигляді плоского диску, що дозволяє під час витикання рідини одержувати однакові і правильні за формою краплі. Метод ґрунтується на визначенні маси краплі, що відривається від нижнього кінця капіляру, заповненого рідиною. Чим більша маса краплі рідини, тим більший поверхневий натяг має ця рідина.

Рисунок 15.2 – Сталагмометр

15.2 Поверхнево-активні речовини

Поверхня розділу фаз у гетерогенних системах має надлишок поверхневої енергії за рахунок неврівноважених міжмолекулярних зв’язків. Це дозволяє адсорбуватися (накопичуватися) на межі поділу фаз поверхнево-активним речовинам (ПАР), поверхневий натяг на межі поділу при цьому знижується. Молекули ПАР мають дифільну будову і складаються з неполярного вуглеводневого радикалу і полярної гідрофільної функціональної групи. Вони поділяються на три групи.

Аніоноактивні ПАР, які дисоціюють у воді з утворенням поверхнево-активного аніону. До ПАР цього типу відносяться вищі карбонові кислоти та їх солі (мила) загальної формули R­--СООМе, алкілсульфати – R­--OSО2ОМе, де R – аліфатичний вуглеводневий радикал, а Ме – лужний метал, та інші.

Катіоноактивні ПАР – сполуки, які дисоціюють у воді з утворенням поверхнево-активного катіону. До катіоноактивних ПАР відносять солі первинних, вторинних та третинних аліфатичних амінів: R3

І

[R1–NH3]Сl [R1–NH2]Сl [R1–NH]Сl,

І І

R2 R2

де R1, R2, R3 – вуглеводневі радикали.

Амфолітні ПАР – сполуки, які містять дві функціональні групи, одна з яких носить кислотний, а інша основний характер. До амфолітних ПАР відносять амінокислоти, які містять карбоксильну та амонійну групи. Залежно від рН середовища амінокислоти можуть виявляти властивості як аніоноактивних, так і катіоноактивних ПАР:

+ +ОН

NH(CH2)nCOO NH(CH2)nCOOH +NH2(CH2)nCOOH.

І І І

R R R

 

Неіоногенні ПАР, які під час розчинення не дисоціюють на іони, а поверхнево-активні властивості виявляє вся молекула ПАР. Молекули таких ПАР одержують шляхом приєднання молекул оксиду етилену – до спиртів, карбонових кислот, амінів. Наприклад, оксиетиловані аліфатичні спирти утворюються за такої реакції:

R–ОН + n(СН2–СН2)О = R–О(ОСН2–СН2)nН,

де n – число оксиетиленових груп у молекулі ПАР.

Для визначення поверхневого натягу розчинів ПАР користуються емпіричним рівнянням Шишковського:

, (15.1)

де s і s0 – поверхневий натяг розчину і розчинника відповідно; С – концентрація розчину ПАР; а і б – емпіричні коефіцієнти (значення «а» є однаковим для всього гомологічного ряду ПАР, а «б» має певне значення для кожного члена цього гомологічного ряду).

Графічна залежність поверхневого натягу розчинів ПАР від концентрації приведена на рис.15.3. Зменшення поверхневого натягу розчину залежно від концентрації в ньому ПАР – ¶s/¶С є мірою поверхневої активності ПАР.

Для визначення поверхневої активності речовини проводять дотичну до кривої "s–С" і розраховують тангенс кута нахилу: tga = ¶s/¶С.

Поверхнева активність ПАР залежить від будови їх молекул. У свій час Дюкло і Траубе встановили, що в гомологічному ряду органічних кислот і спиртів подовження вуглеводневого радикалу на кожну групу СН2 призводить до збільшення їх поверхневої активності в 3,0…3,5 рази .

Рисунок 15.3 – Ізотерми поверхневого натягу розчинів кислот: 1 – оцтової; 2 – пропіонової; 3 – масляної; 4 – валер’янової; 5 – капронової

15.3 Адсорбція ПАР на поверхні рідин

Адсорбція – це самочинний процес накопичення речовини на поверхні рідини. Адсорбція ПАР відбувається в поверхневому шарі рідини, який називають адсорбційним. Вивчення будови адсорбційних шарів показало, що вони складаються з одного ряду молекул, орієнтованих певним чином. У полярних розчинниках, таких як вода, функціональні групи розміщуються на поверхні розчину, а вуглеводневі радикали повернені в бік повітря (рис. 15.4). У неполярних розчинниках орієнтація молекул ПАР протилежна: радикали повернені в бік рідини, а функціональні групи – в бік повітря.

 

Рисунок 15.4Адсорбція молекул

ПАР на поверхні полярної рідини

Адсорбція ПАР на поверхні рідин розраховується за термодинамічним рівнянням Гіббса:

, (15.2)

де Г – адсорбція, моль/м2; С – концентрація розчину ПАР, моль; R – універсальна газова стала; Т – температура, К; ds/dC – поверхнева активність.

 


Лекція № 16. Адсорбція

План лекції

1. Теорія фізичної адсорбції Ленгмюра.

2. Сорбенти. Класифікація сорбентів.

3. Іонообмінна адсорбція. Іоніти.

4. Хроматографія. Теоретичні основи хроматографії.

Рекомендована література: [1] С.88-93, [2] С.114-117, [3] С.358-374, [4] С.110-118.

16.1 Теорія фізичної адсорбції Ленгмюра

Поверхня твердих тіл має надлишок поверхневої енергії за рахунок неврівноважених зв’язків у поверхневих атомів кристалічних ґраток. Це дозволяє таким речовинам, їх називають адсорбентами, накопичувати (адсорбувати) на своїй поверхні інші речовини з навколишнього середовища. На величину адсорбції впливають природа і геометрія поверхні сорбенту. Вимірюють величину адсорбції в [моль/м2] або в [моль/г].

У 1916 році Ленгмюр сформулював теорію фізичної адсорбції:

– адсорбція молекул відбувається тільки на активних центрах адсорбенту, як правило, на нерівностях (виступах) поверхні;

– на кожному активному центрі адсорбується тільки одна молекула;

– адсорбція відбувається за рахунок міжмолекулярних сил взаємодії;

–процес адсорбції оборотний (молекули адсорбтиву періодично відриваються від поверхні сорбенту, а їх місце займають інші молекули);

– взаємодія між сусідніми адсорбованими молекулами відсутня.

На основі таких положень Ленгмюр вивів рівняння, яке має такий вигляд:

, (16.1)

де Г¥ максимальна адсорбція, відповідає моменту, коли на поверхні сорбенту утворюється мономолекулярний шар адсорбтиву; k – стала Ленгмюра.

Залежність величини адсорбції від концентрації розчину наведено на рис. 6.1.

Теорія Ленгмюра не бездоганна: вона не може пояснити процеси адсорбції в капілярних системах; не враховує взаємодію між молекулами адсорбтиву.

Часто нагромадження адсорбтиву на поверхні сорбенту продовжується і після утворення на ній мономолекулярного шару.

Рисунок 16.1Ізотерма адсорбції Ленгмюра

У таких випадках ізотерма адсорбції має вигляд, наведений на рис. 16.2 а. Крива починаючи від точки А (точки перегину S-образної ізотерми) круто підіймається вгору. Пояснення такої форми ізотерми адсорбції надали вчені Брунауер, Еммет і Тейлор. Ними була запропонована теорія полімолекулярної адсорбції, яка дістала назву – «теорія БЕТ». Автори зберегли основні положення теорії Ленгмюра. Додатковим припущенням було їх уявлення, що кожна молекула з І-го ряду адсорбованих молекул може бути центром адсорбції для молекул ІІ-го шару, молекули ІІ-го шару в свою чергу є центрами адсорбції для молекул ІІІ-го і так далі. На рис. 16.2 b показана можлива схема адсорбції

 
 

речовин під час полімолекулярній адсорбції.

Рисунок 16.2 – Ізотерма адсорбції – a та модель адсорбційного шару –b

під час полімолекулярній адсорбції

У випадках, коли сорбент являє собою порошок або пористе тіло, величину адсорбції звичайно визначають за емпіричним рівнянням Фрейндліха:

, (16.2)

де Г – адсорбція; С – молярна концентрація адсорбтиву в розчині; b і n емпіричні коефіцієнти, сталі для кожної пари адсорбтив-сорбент.

Якщо адсорбтив і матеріал сорбенту мають високу хімічну спорідненість, то стає можливою хімічна взаємодія між ними. Таке явище називають хемосорбцією. Хемосорбція – процес екзотермічний і необоротний, тому з підвищенням температури він посилюється. Під час хемосорбції на поверхні сорбенту утворюються продукти хімічної реакції між адсорбтивом і сорбентом.

16.2 Сорбенти

Сучасна класифікація поділяє сорбенти на мінеральні, вуглецеві та полімерні. До мінеральних сорбентів звичайно відносять алюмосилікати (цеоліти) і силікагель. Останній одержують осадженням полімерної силікатної кислоти з розчинів силікатів. На поверхні силікагелю розташована велика кількість функціональних груп ºSi–ОН, завдяки чому він добре адсорбує воду та інші полярні речовини, які здатні утворювати водневі зв’язки.

Найбільш поширеним вуглецевим сорбентом є активоване вугілля. Одержують його з кам’яного або деревного вугілля. Під час випалювання вугілля в присутності води вигоряють смолисті речовини; при цьому всередині матеріалу розвивається пористість і збільшується питома поверхня. Активоване вугілля добре адсорбує неполярні органічні речовини.

Серед полімерних сорбентів на цей час найбільш поширені іонообмінні смоли – іоніти. Іоніти – органічні полімери, що містять активні іоногені групи. Іоніти мають пористу матричну структуру, до складу якої входять фіксовані іони. Іоніти застосовують в процесах іонообмінної адсорбції для очистки харчових продуктів і води від надлишкових або шкідливих іонів.

16.3 Іонообмінна адсорбція

Процес іонообмінної адсорбції ґрунтується на обміні іонами між поверхнею сорбенту-іоніту та розчином. Іоніти, що обмінюються з розчином катіонами, називаються катіонітами, а іоніти, що обмінюються аніонами – аніонітами. Катіоніти містять функціональні групи ­--СООН, –SО3Н, ­-- SН, аніоніти –NН2, –NН тощо. Іонообмінну адсорбцію проводять в колонках, виготовлених з скляних трубок, заповнених подрібненою іонообмінною смолою. Перед початком аналізу іоніт активують: катіоніт переводять в Н-форму, аніоніт – в ОН-форму. Для цього через колонку пропускають розчин кислоти або лугу. Під час аналізу або очистки досліджуваного розчину його пропускають через колонку з швидкістю 3-4 краплі за секунду. При цьому з розчину вилучають необхідні або зайві іони. Після перебігу іонообмінних реакцій склад розчину визначають традиційними аналітичними методами.


Лекція № 17. Поверхневі явища

План лекції

1. Адгезія і когезія. Розтікання.

2. Змочування. Крайовий кут змочування.

3. Флотація. Масляна і пінна флотація.

4. Адсорбція в поруватих тілах. Капілярна конденсація.

Рекомендована література: [1] С.93-96, [2] С.117-118, [3] С.358-361, [4] С.113-16.

17.2 Змочування

Змочування – це сукупність явищ, що виникають під час контакту твердого тіла та рідини. Якщо краплину рідини нанести на тверду поверхню, то можна спостерігати такі випадки: краплина розтікається по поверхні тонким шаром; краплина частково розтікається по поверхні, утворюючи з нею певний крайовий кут q (рис. 17.2 а); краплина залишається на поверхні у вигляді кульки (рис. 17.2 б). Змочування твердого тіла рідиною має місце у випадку, коли краплина рідини розтікається на його поверхні.

Критерієм, за яким визначають здатність поверхні змочуватися рідиною, є косинус крайового кута cosq. Якщо cosq >0 – рідина змочує поверхню; якщо cosq < 0 – змочування не відбувається. Визначають cosq за рівнянням Юнга:

, (17.3)

де s2,3, s3,1, s2,1 – поверхневий натяг на межі поділу "тверде тіло-рідина"; "тверде тіло-газ" і "рідина-газ" відповідно (рис. 17.3).

 

Рисунок 17.2Змочування поверх- Рисунок 17.3 – Розтікання краплі

ні твердого тіла краплями рідин рідини відповідно закону Юнга

 

Вода і водні розчини змочують речовини з іонним або полярним ковалентним зв’язками. Поверхню таких речовин називають гідрофільною. Такі речовини як парафін або жири, поверхня яких не змочується водою відносять до гідрофобних. Чим краще розчинник змочує сорбент, тим гірша адсорбція розчинених речовин з цього розчинника. Так, активоване вугілля, яке не змочується водою, є найкращим сорбентом для водних розчинів, у той же час глину – гідрофільну речовину застосовують як сорбент у неполярних рідинах.

17.3 Флотація

Флотація – метод розділення гідрофільних та гідрофобних порошків, який ґрунтується на їх вибірковому змочуванні рідинами. Флотація буває двох типів: масляна і пінна. Так, щоб розділити крейду і сажу їх поміщують в склянку з водою, поверх якої налито шар неполярної рідини – масла. Після інтенсивного перемішування гідрофільний порошок (крейда) перейде у воду, а гідрофобний (сажа) – в масло. Якщо порошок недостатньо гідрофобний, його піддають гідрофобізації додаючи в розчин ПАР, які адсорбуються на поверхні часточок. Метод широко застосовується в процесах збагачення руд.

Часто замість масла на поверхні води утворюють шар піни, пропускаючи повітря через водний розчин ПАР. Гідрофобні часточки порошку прилипають до бульбашок повітря і видаляються разом з піною до відстійника.

17.4 Адсорбція в поруватих тілах

Значна кількість сорбентів є пористими тілами. Пористим називають тверде тіло, що містить у своєму скелеті достатню кількість пустот, розміри яких малі порівняно з розмірами тіла. Ці пустоти називають порами незалежно від того, яку форму вони мають. Відносно довгі пори називають капілярами. Пори можуть сполучатися між собою, утворюючи поруватий простір.

Характеристиками поруватих тіл є їх пористість, розміри пор і питома поверхня. Пористість визначають як відношення об’єму пористого простору до загального об’єму твердого тіла, а питому поверхню – як відношення загальної площини пористого простору до об’єму поруватого тіла. За розмірами пор усі пористі сорбенти розрізняються на: мікропористі (розмір пор до 15 нм) і макропористі (розмір пор більше 15 нм). Найбільш висока адсорбційна здатність характерна для мікропористих сорбентів (рис. 17.4).

 

Рисунок 17.4Схема пористого полімерного сорбенту

Сорбцією називають процес поглинання газів і пари пористими сорбентами. Поняття “пара” і “газ” умовно розмежовують, вважаючи, що пара конденсується під час поглинання сорбентом, тоді як газ не зріджується. Сорбція – це багатостадійний процес, першою стадією якого є фізична адсорбція молекул газу на поверхні пористого простору. Для фізичної адсорбції характерна відносно велика швидкість і оборотність. У пористих сорбентах вона закінчується за декілька хвилин. Одночасно з адсорбцією може перебігати інший процес – абсорбція. Абсорбція – поглинання газу скелетом пористого сорбенту з утворенням твердого розчину даного газу. Дифузія газів у твердих тілах відбувається дуже повільно і потребує значного часу для завершення.

Під час сорбції пари спостерігається капілярна конденсація – процес переходу пари в рідину за тисків менших ніж тиск насиченої пари, і заповнення пор рідиною. Залежно від природи сорбенту і пари можливі два випадки під час контакту рідини і матеріалу сорбенту: рідина змочує стінки капіляру (увігнутий меніск); рідина не змочує стінки капіляру (випуклий меніск). Капілярна конденсація в пористих сорбентах відбувається у випадках, коли рідина, що конденсується, змочує стінки капілярів, над якими конденсується пара. Спочатку конденсується адсорбційний шар, а потім рідина заповнює всю пору.

Сорбція газів знайшла практичне значення в процесі рекуперації – вилучення пари летких розчинників з їх суміші з повітрям або іншими газами. Рекуперацію здійснюють шляхом поглинання пари пористими сорбентами під час капілярної конденсації, і видалення рідини, що утворилася, з сорбентів за підвищених температур. Так здійснюють рекуперацію пари етанолу з газоподібних відходів бродильних чанів.


Лекція № 18. Фізико-хімічні властивості дисперсних систем

План лекції

1. Класифікація дисперсних систем. Ліофобні та ліофільні золі.

2. Методи одержання дисперсних систем.

3. Методи очистки золів. Діаліз, електродіаліз, ультрафільтрація.

4. Молекулярно-кінетичні властивості золів.

5. Оптичні властивості дисперсних систем.

Рекомендована література: [1] С.101-107, [2] С.84-88, 96-103, [3] С.496-505, 525-528, [4] С.121-130, [5] С.57-58.

18.1 Класифікація дисперсних систем

Дисперсні системи – це системи, в яких одна з речовин знаходиться в подрібненому стані, тобто розподілена в гомогенному середовищі у вигляді часточок певного розміру. Сукупність часточок називають дисперсною фазою, а середовище, в якому вони розподілені – дисперсійним середовищем.

Фаза вважається дисперсною, якщо речовина, що її складає, подрібнена, хоча б в одному напрямку. Якщо вона подрібнена по висоті, то утворюються плівки (тканини, пластини). Якщо речовина подрібнена по висоті і ширині, то утворюються волокна, нитки, капіляри. Нарешті, якщо речовина подрібнена по всім напрямкам, то утворюються порошки, суспензії і т.д.

Дисперсні системи за розмірами часточок поділяються на: грубо-дисперсні (а > 100 нм); колоїднодисперсні (а = 1...100 нм); молекулярно-дисперсні (а < 1 нм), де а – розмір часточок.

Дисперсні системи класифікують також за агрегатним станом. Відповідна класифікація наведена в табл. 18.1, де агрегатний стан речовин позначено літерами: Г – газоподібний, Р – рідкий і Т – твердий.

За інтенсивністю взаємодії між часточками дисперсної фази і молекулами середовища дисперсні системи поділяють на ліофобні і ліофільні. У ліофільних системах молекули середовища інтенсивно взаємодіють з часточками дисперсної фази, утворюючи навколо них сольватні оболонки. До ліофільних систем відносять розчини ПАР, харчових барвників, танідів.

У ліофобних золях міжмолекулярна взаємодія незначна. До таких систем відносять розбавлені розчини малорозчинних солей, оксидів і гідроксидів.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Короткий конспект лекцій з дисципліни хімічні основи харчових технологій

Харківська державний університет.. Харчування та торгівлі.. Короткий конспект лекцій..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Поверхневий натяг

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Передмова
Дисципліна "Фізична та колоїдна" є складовою частиною інтегральної дисципліни "Хімічні основи харчових технологій" – однією з профілюючих дисциплін професійної підготовки студен

Закон Рауля
Важливою характеристикою рідини є тиск її насиченої пари – пари, що знаходиться в рівновазі з рідиною. Для чистої рідини тиск насиченої пари залежить тільки від температури, для її розчинів – від т

Водневий показник
Вода – дуже слабкий електроліт, що дисоціює за рівнянням: Н2О ⇄ Н+ + ОН–. Концентрація іонів Н+ і ОН– у воді, виходячи

Методи одержання дисперсних систем
Дисперсні системи одержують двома методами: шляхом подрібнення речовин – методами диспергування або шляхом об'єднання молекул та іонів у часточки колоїдного ступеню дисперсн

Емульгатори
Емульсії добувають звичайно механічним, ультразвуковим або електричним диспергуванням, яке в цих випадках називають емульгуванням. У кулінарній практиці рідини, що емульгуют

Порошки
Порошки можна розглядати як аерозолі з твердою дисперсною фазою, які піддали коагуляції і утворили з них осад. Залежно від розмірів часточок для порошків прийняті такі н

Характеристики процесу набрякання
Ступінь набрякання визначається кількістю рідини, що поглинається одиницею маси або об’єму сухого зразка полімеру. Визначають ступінь набрякання ваговим або об’ємним методами.

Закон Ньютона
Наука, що вивчає закономірності деформації твердих тіл та течії рідин під дією механічного навантаження називається реологією. Закон в'язкої течії рідин відкрив Ньютон: &quo

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги