Золи и суспензии - раздел Электротехника, ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ: ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ. Поверхностные явления. Адсорбция. Электрические свойства дисперсных систем. Электрокинетические явления. Устойчивость и нарушение устойчивости лиофобных золей Золи И Суспензии, А Также Их Производные – Гели И Пасты – Являются Разновидно...
Золи и суспензии, а также их производные – гели и пасты – являются разновидностью одного и того же типа дисперсных систем – Т/Ж, которые различаются размерами и концентрацией дисперсной фазы. Наряду с общими свойствами эти системы имеют специфические, присущие только им свойства.
Золи (от нем. sol – коллоидный раствор) – это высокодисперсные коллоидные системы; размер частиц дисперсной фазы в золях составляет 10-9-10-7 м (1-100 нм). Золи с водной дисперсионной средой называют гидрозолями, с органической – органозолями. Гидрозолем, например, является водопроводная вода, содержащая примеси в коллоидном состоянии.
Вследствие малого размера частицы дисперсной фазы золя находятся в постоянном тепловом движении, что способствует седиментационной устойчивости таких систем – распределение частиц по объему системы остается постоянным во времени.
Несмотря на высокие значения Gпов, золи могут быть агрегативно устойчивыми и не коагулировать сколь угодно долго. В этом случае их устойчивость к коагуляции обеспечивается образованием на частицах сольватных, адсорбционных или двойных электрических слоев, способствующих снижению межфазового натяжения и созданию потенциального барьера.
Агрегативная устойчивость золей, равно как и любых других лиофобных дисперсных систем, повышается в присутствии стабилизатора. Например, при добавлении к золю высокомолекулярного вещества его макромолекулы адсорбируются на поверхности коллоидных частиц, образуя 3-мерную защитную оболочку. При этом важно правильно подобрать концентрацию вводимого стабилизатора. При его недостатке возможно образование флокул, в которых частицы связаны друг с другом мостиками из полимерных молекул (см. рис. 40). Такой процесс называют флокуляцией (от лат. flocculi – клочья, хлопья), а вещества, его вызывающие – флокулянтами. Поэтому для количественной оценки защитного действия определяют минимальную массу ВМС, достаточную для предотвращения коагуляции частиц в 10 см3 золя. Название этой величины зависит от вида защищаемого от коагуляции золя. Например, в случае золя гидроксида железа это «железное число», золя гидроксида золота – «золотое число».
При разрушении защитных поверхностных слоев и снятии потенциального барьера золи, как и все лиофобные дисперсные системы, становятся агрегативно неустойчивыми и коагулируют.
Суспензии (от лат. suspendo – подвешиваю) – это дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. Суспензии являются средне- и грубодисперсными системами. Этим они качественно отличаются от золей.
Суспензии являются более агрегативно устойчивыми системами по сравнению с золями, так как содержат крупные частицы (а > 10-7 м), следовательно, их удельная поверхность и свободная поверхностная энергия невелики. Однако из-за большого размера частицы не могут участвовать в тепловом движении, что обусловливает седиментационную неустойчивость суспензий.
Агрегативная устойчивость суспензий обеспечивается сродством дисперсной фазы и дисперсионной среды и наличием стабилизаторов.
Если частицы дисперсной фазы хорошо смачиваются дисперсионной средой, то возле их поверхности образуется сольватная оболочка, которая препятствует слипанию частиц. В этом случае стабилизатор не требуется. Агрегативно устойчивыми являются суспензии полярных частиц в полярных жидкостях или неполярных – в неполярных. Например, суспензия кварца в воде.
Если частицы суспензии плохо смачиваются дисперсионной средой, то для повышения агрегативной устойчивости суспензии требуется стабилизатор. Механизм действия стабилизатора зависит от его природы.
Механизм стабилизации суспензий коллоидными ПАВ и ВМС аналогичен механизму стабилизации эмульсий – адсорбция на межфазной поверхности и образование адсорбционных пленок. Стабилизирующее действие коллоидных ПАВ проявляется тем сильнее, чем больше разница полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Например, для стабилизации суспензии сажи в воде можно использовать натрий олеиновокислый, молекула которого своей неполярной частью адсорбируется на поверхности частиц сажи, а полярной частью ориентируется в полярную фазу – воду. В результате поверхность сажи становится гидрофильной, то есть приобретает способность смачиваться водой и агрегативная устойчивость суспензии повышается.
Выбор ПАВ для стабилизации суспензий, так же как и для эмульсий, осуществляют исходя из значения ГЛБ. Для стабилизации суспензий с неполярной дисперсионной средой применяют ПАВ с низкими значениями ГЛБ (3 - 6), например, лецитин, ланолин и т.д. Если дисперсионной средой суспензии является полярная жидкость, то в качестве стабилизаторов используют ПАВ с ГЛБ = 8 - 13, например, соли высших карбоновых кислот.
При использовании ВМС в качестве стабилизатора существенный вклад в повышение агрегативной устойчивости вносит энтропийный фактор. При сближении частиц уменьшается число возможных конформаций макромолекул в защитных оболочках, что приводит к снижению энтропии системы, поэтому частицы стремятся оттолкнуться друг от друга.
В качестве стабилизаторов часто применяют белки, альгинаты, карбоксиметилцеллюлоза и др.
Высококонцентрированные золи называют гелями, а высококонцентрированные суспензии – пастами. Гели и пасты являются структурированными системами.Из-за наличия структуры они обладают рядом новых свойств, называемых структурно-механическими, – вязкостью, упругостью, пластичностью.
В отличие от суспензий пасты являются седиментационно-устойчивыми системами. Под агрегативной устойчивостью паст подразумевается их способность сохранять неизменной во времени пространственную структуру – толщину прослоек жидкости и прочность контакта в структурной сетке. Уменьшению толщины прослоек препятствует структурирование, которое усиливается при использовании стабилизаторов.
В природных условиях образование суспензий происходит при размывании почв и грунтов водой, загрязнении водоемов атмосферной пылью. Суспензии широко используют в строительной технологии, в производстве керамики, пластмасс, лакокрасочных материалов, бумаги и др. В виде суспензий применяют некоторые удобрения и пестициды, многие лекарственные препараты. Суспензиями являются многие пищевые продукты и полупродукты, например, помадные, шоколадные и ореховые массы, какао тертое, фруктово-ягодное пюре, некоторые молочные напитки и соевое молоко, горчица.
ФГБОу впо ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ... Кафедра физической и аналитической химии...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Золи и суспензии
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Сплошной среды и дисперсной фазы
Все дисперсные системы образуют две большие группы – лиофильные и лиофобные.
Лио – жидкость, филио – любить, фобио – отторгать.
1) лиофильные (гидрофильные) системы характе
Поверхностно-активные вещества
Вещества, которые при растворении снижают поверхностное натяжение растворителя, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Вещества, не изменяющие поверхностное натяжение растворите
Фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса
Уравнение Гиббса связывает величину адсорбции со способностью растворенного вещества изменять поверхностное натяжение. Выводится из объединенного уравнения I и II законов термодинамики для внутренн
Уравнение мономолекулярной адсорбции Ленгмюра
Экспериментально были получены изотермы адсорбции различных ПАВ. Все они имели одинаковую форму – имелся горизонтальный участок (рис. 11). Для веществ одного гомологического ряда все изотермы в пре
Особенности адсорбции на твердом адсорбенте
Адсорбция происходит на межфазной поверхности газ-твердое тело, жидкость-твердое тело.
В отличие от жидкой твердая поверхность энер
Требования, предъявляемые к адсорбентам
В качестве адсорбентов наиболее часто применяют углеродные сорбенты (древесный или костный уголь, графитированная термическая сажа ГТС), бентонитовые глины, силикагель, цеолиты и др.
Уг
Основные теории адсорбции на твердых адсорбентах
Все теории разработаны для адсорбции газов и паров твердыми телами, поскольку система твердое тело-газ состоит всего из двух компонентов и поэтому удобна для теоретического рассмотрения явления адс
Уравнение Фрейндлиха
На практике часто для аналитического описания зависимости адсорбции на твердом адсорбенте от концентрации адсорбтива применяется эмпирическое уравнение Фрейндлиха:
Капиллярная конденсация
При давлении, равном давлению насыщенного пара рs, начинается капиллярная конденсация.
Процесс сорбции пар
Ионная адсорбция из растворов
Ионная адсорбция — адсорбция из растворов сильных электролитов. В этом случае растворенное вещество адсорбируется в виде ионов.
Ионная адсорбция является более сложным процессом по сравнен
Ионообменная адсорбция
Ионообменная адсорбция — это процесс, при котором твердый адсорбент обменивает свои ионы на ионы того же знака из жидкого раствора.
Твердый адсорбент, практически нерастворим
Адгезия и смачивание
Адгезия (прилипание, сцепление, слипание) – поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии частиц поверхностных слоев двух конденсированных фаз.
Возможны три случая адгезии:
Двойного электрического слоя
Существует несколько теорий строения ДЭС, наиболее значительные из них
– теория Гельмгольца-Перрена (1879 г.);
– теория Гуи-Чепмена (1910-1913 г.г.);
– терия Штерна (1924
Строение мицеллы гидрофобного золя
Дисперсная фаза и прилегающий двойной электрический слой составляют мицеллу гидрофобного золя(micella – уменьшительное от лат. mica – крошка, крупица).
Основу мицеллы составляет
Влияние электролитов
По характеру воздействия на потенциал ядра (j0-потенциал) электролиты подразделяют на индифферентные и неиндифферентные.
Индифферентные (безразличные) электролиты не имею
Влияние индифферентных электролитов.
При добавлении к золю индифферентных электролитов потенциал ядра j0 не изменяется, следовательно, общее число противоионов, необходимых для его компенсации, останется прежним, но изменит
Влияние неиндифферентных электролитов.
При введении в золь неиндифферентных электролитов возможны два случая.
1 случай – в золь вводится электролит, содержащий потенциалопределяющий ион (неиндифферентный ион). Второй ион в элек
Электрофорез
Электрофорез – направленное движение частиц дисперсной фазы относительно дисперсионной среды под действием внешнего электрического поля.
При наложении внешнего электрического поля п
Применение электрофореза.
1. Метод электрофореза широко используется для определения z-потенциала. Для этого измеряют электрофоретическую скорость при известной напряженности электрического поля.
Потенциал седиментации
Потенциал седиментации – возникновение разности потенциалов при движении (седиментации) частиц в неподвижной жидкости.
Рассмотрим коллоидную систему, находящуюся в емкости (например
Электроосмос
Электроосмос – движение дисперсионной среды через неподвижную капиллярно-пористую перегородку под действием внешнего электрического п
Потенциал течения
Потенциал течения (протекания) – это явление возникновения разности потенциалов при перемещении дисперсионной среды через капиллярно-
Лиофобных золей
Дисперсные системы характеризуются значительным избытком свободной нескомпенсированной поверхностной энергии
Gпов = sS,
связанным как с большой удельной п
Седиментационная устойчивость
Седиментационная устойчивость – это способность системы противодействовать оседанию частиц (силе тяжести).
Противодействие силе тяжести зависит от размеров частиц. Для крупных (сред
Теория устойчивости гидрофобных золей ДЛФО
Современная теория устойчивости развита российскими учеными Дерягиным и Ландау и голландскими учеными Фервеем и Овербеком и известна в литературе как теория ДЛФО.
В основе теории ДЛФО лежи
Коллоидных систем
1. Адсорбционно-ионный фактор.
Обусловлен наличием на поверхности частиц двойного электрического слоя и z-потенциала. Чем больше силы отталкивания, тем выше потенциальный барьер, и тем бол
Коагуляция гидрофобных дисперсных систем
Коагуляция – процесс слипания частиц дисперсной фазы с образованием крупных агрегатов.
Коагуляция является следствием нарушения агрегативной устойчивости лиофобных золей. В результа
Концентрационная коагуляция
Концентрационная коагуляция происходит под действием индифферентного электролита, при этом потеря устойчивости вызывается сжатием диффузной части ДЭС при неизменном потенциале ядра (рис. 41)
Нейтрализационная коагуляция
Нейтрализационная коагуляция происходит при добавлении к золю неидифферентного электролита. При этом потенциалобразующие ионы связываются в малорастворимое соединение, что приводит к уменьше
Явление неправильных рядов
Наблюдается при коагуляции золей электролитами, вызывающих нейтрализацию заряда ядра и перезарядку золя. Данное явление заключается в том, что при добавлении таких электролитов золь сначала остаетс
Кинетика коагуляции
Для начала коагуляции необходимо, чтобы частицы преодолели энергетический барьер ΔUк и попали в первый минимум. Для этого необходимо уменьшить силы отталкивания, т.е. снизить
Теория быстрой коагуляции Смолуховского
Основные положения:
1. Частицы монодисперсны и имеют сферическую форму.
2. Частицы дисперсной фазы имеют коллоидные размеры и перемещаются за счет броуновского движения.
Константа скорости быстрой коагуляции
1. Теоретическое определение константы скорости быстрой коагуляции.
Скорость быстрой коагуляции определяется только диффузионной стадией.
Константа скорости медленной коагуляции
При медленной коагуляции силы отталкивания еще присутствуют, т.е. 0 < ς < 30 мВ. Чтобы частицы попали в первый минимум (I min), они должны преодолеть потенциальный барьер ΔU
Рассеяние света
Рассеяние света является характерным свойством коллоидных растворов, отличающим их от истинных.
При пропускании светового луча через прозрачную коллоидную систему, то при наблюдении освеща
Теория светорассеяния Рэлея
Перед рассмотрением основных положений теории Рэлея необходимо вспомнить, что собой представляет световая волна и за счет чего происходит рассеяние света.
Световая волна представляет собой
Поглощение света и окраска золей
Многие коллоидные растворы имеют окраску, что указывает на поглощение ими света. Поглощение света – ослабление светового потока при прохождении его сквозь среду.
Для истинных растворов пог
Оптические методы исследования коллоидных растворов
На явлении рассеяния света коллоидными частицами основан ряд важнейших методов их исследования.
Ультрамикроскопия.
При использовании видимого света обычный микроскоп позво
Броуновское движение
Броуновским движением называют хаотическое равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе за счет воздействия молекул дисперсионной среды.
Диффузия
Диффузия – самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.
В случае коллоидных растворов идет диффузия частиц дисперс
Особенности строения полимеров
В макромолекулах ВМС имеется два типа связей:
– химические связи, соединяющие атомы в полимерной цепи, очень прочные;
– межмолекулярные связи, возникающие за счет сил Ван-дер-Ваал
Набухание ВМС
При контакте полимера с растворителями происходит его набухание.
Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, со
Термодинамика набухания
Процесс набухания идёт самопроизвольно, т.е при р, Т = const
ΔG < 0,
ΔG = ΔH – TΔS. (7.1)
На перво
Факторы, влияющие на набухание
1. Природа ВМС и растворителя (неполярные полимеры хорошо набухают и растворяются в неполярных растворителях, полярные – в полярных).
2. Время жизни ВМС: чем старше полимер, тем хуже он на
Свойства растворов ВМС
Растворение ВМС является самопроизвольным процессом и приводит к уменьшению свободной энергии системы. Поэтому растворы ВМС являются термодинамически устойчивыми и не требуют присутствия стабилизат
Коллоидные ПАВ. Мицеллообразование в растворах ПАВ
Коллоидными ПАВ называют поверхностно-активные вещества, способные в растворах образовывать мицеллы, т.е. ассоциаты, состоящие из большого количества молекул ПАВ (от 20 до 100).
Способност
Применение коллоидных ПАВ
1. Пищевая промышленность.
Коллоидные ПАВ применяют в хлебопекарной, макаронной и кондитерской промышленности. Это позволяет улучшить качество продуктов, увеличить срок хранения за счет уд
Устойчивость пен
Пены, как и другие дисперсные системы, термодинамически неустойчивы. Их образование сопровождается повышением свободной энергии. Избыточная энергия вызывает самопроизвольные процессы, которые ведут
Методы разрушения пен
Некоторые технологические процессы, особенно в химической, текстильной и пищевой промышленности, сопровождаются нежелательным пенообразованием. В ряде случаев образование пены может вызвать серьезн
Практическое применение пен
Пенообразование используют во многих отраслях народного хозяйства – в производстве строительных и теплоизоляционных материалов (пенобетон, пеностекло), пластичных масс (пенопласты), при обогащении
Основные свойства и устойчивость порошков
К основным технологическим свойствам порошков относят:
1) сыпучесть;
2) слеживаемость в процессе хранения, комкование порошков (аутогезия);
3) уплотняемость – изменение о
Практическое применение порошков
Порошкообразные материалы находят широкое применение в промышленности. В любой отрасли промышленности в той или иной степени используются многочисленные порошкообразные материалы: строительные мате
Типы структур в дисперсных системах
Формирование структур в дисперсных системах с жидкой дисперсионной средой связано с нарушением агрегативной устойчивости. При этом возможно образование структур двух типов. Для структур первого тип
Студни и студнеобразование
Структурированию растворов ВМС способствует анизометричность макромолекул и наличие в полимерных цепочках чередующихся полярных и неполярных фрагментов. В растворах полимеров возможно образование к
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов