Решение: Ответы на четные вопросы по Коллоидной химии

Ниже представлены ответы на четные вопросы из списка по дисциплине «Коллоидная химия», оформленные для удобного переписывания в тетрадь. Вопрос 2. Количественные характеристики дисперсных систем. Основными количественными характеристиками, определяющими состояние раздробленности вещества, являются: 1. Линейный размер частиц \( a \) (или радиус \( r \)). Для сферических частиц это диаметр, для кубических — длина ребра. 2. Дисперсность \( D \) — величина, обратная линейному размеру частиц: \[ D = \frac{1}{a} \] Единица измерения — \( м^{-1} \). Чем меньше частицы, тем выше дисперсность. 3. Удельная поверхность \( S_{уд} \) — это отношение общей площади поверхности раздела фаз \( S \) к общему объему дисперсной фазы \( V \) или к ее массе \( m \): \[ S_{уд} = \frac{S}{V} \] Для системы из сферических частиц одинакового радиуса: \[ S_{уд} = \frac{4 \pi r^2}{\frac{4}{3} \pi r^3} = \frac{3}{r} = \frac{6}{a} \] С ростом дисперсности удельная поверхность резко возрастает, что определяет высокую поверхностную энергию коллоидных систем. Вопрос 4. Характеристики дисперсной фазы. Дисперсная фаза — это совокупность раздробленных частиц, распределенных в однородной дисперсионной среде. Ее характеризуют следующие признаки: 1. Концентрация — содержание дисперсной фазы в единице объема или массы системы. Бывает массовая, объемная или численная (количество частиц в единице объема). 2. Агрегатное состояние — может быть твердым, жидким или газообразным. 3. Форма частиц — может быть сферической, палочкообразной, пластинчатой или неправильной. Форма влияет на вязкость и оптические свойства системы. 4. Степень однородности (полидисперсность) — если все частицы одного размера, система называется монодисперсной, если разного — полидисперсной. Вопрос 6. Экспериментальные методы определения поверхностного натяжения. Методы делятся на статические и полудинамические: 1. Метод поднятия жидкости в капилляре. Основан на измерении высоты \( h \) поднятия жидкости в узкой трубке радиусом \( r \): \[ \sigma = \frac{1}{2} \rho g h r \] где \( \rho \) — плотность, \( g \) — ускорение свободного падения. 2. Метод отрыва кольца (метод Дю Нуи). Измеряется сила \( F \), необходимая для отрыва тонкого проволочного кольца от поверхности жидкости. 3. Метод счета капель (сталагмометрический). Основан на том, что вес капли, отрывающейся от кончика трубки, пропорционален поверхностному натяжению: \[ \sigma = \frac{m g}{2 \pi r} \] Обычно используют относительный расчет, сравнивая число капель исследуемой жидкости \( n \) и стандартной (воды) \( n_0 \). 4. Метод максимального давления пузырька (метод Ребиндера). Измеряется давление, необходимое для продавливания пузырька газа в жидкость через капилляр. Вопрос 8. ПАВ, ПИАВ и ПНАВ. Вещества классифицируют по их способности изменять поверхностное натяжение растворителя (воды): 1. ПАВ (Поверхностно-активные вещества). Снижают поверхностное натяжение. Это органические соединения (мыла, спирты), имеющие дифильное строение: полярную «голову» и неполярный углеводородный «хвост». Они накапливаются на поверхности. 2. ПИАВ (Поверхностно-инактивные вещества). Незначительно повышают поверхностное натяжение. К ним относятся сильные электролиты (соли, щелочи, кислоты). Их молекулы сильнее притягиваются вглубь фазы, чем молекулы воды, поэтому их концентрация в поверхностном слое меньше, чем в объеме. 3. ПНАВ (Поверхностно-неактивные вещества). Практически не изменяют поверхностное натяжение. Это вещества, молекулы которых взаимодействуют с растворителем так же, как молекулы растворителя друг с другом (например, сахар в воде). Вопрос 10. Поверхностная активность. Правило Траубе-Дюкло. Поверхностная активность \( g \) — это способность вещества снижать поверхностное натяжение, математически выражается как производная: \[ g = - \left( \frac{d\sigma}{dc} \right)_{c \to 0} \] Правило Траубе-Дюкло: При увеличении длины углеводородного радикала ПАВ на одну группу \( CH_2 \) в одном и том же гомологическом ряду, поверхностная активность вещества в водных растворах возрастает в \( 3 - 3,5 \) раза. Это объясняется тем, что более длинный «хвост» сильнее выталкивается из воды на поверхность, так как он гидрофобен. Вопрос 12. Количественные характеристики адсорбции. Адсорбция — это изменение концентрации вещества в поверхностном слое по сравнению с объемом. 1. Величина адсорбции \( \Gamma \) (гамма) — избыточное количество вещества в поверхностном слое на единицу площади поверхности раздела фаз. Единица измерения — \( моль/м^2 \). 2. Величина \( a \) — общее количество адсорбированного вещества, отнесенное к единице массы адсорбента: \[ a = \frac{n}{m} \] где \( n \) — количество моль вещества, \( m \) — масса адсорбента. 3. Степень заполнения поверхности \( \theta \) (тэта) — отношение текущей адсорбции к максимально возможной (предельной): \[ \theta = \frac{\Gamma}{\Gamma_{\infty}} \] Вопрос 14. Уравнение адсорбции Фрейндлиха. Это эмпирическое уравнение, которое хорошо описывает адсорбцию на неоднородных поверхностях в области средних концентраций: \[ a = x/m = k \cdot c^{1/n} \] где: \( a \) — величина адсорбции; \( c \) — равновесная концентрация вещества; \( k \) и \( 1/n \) — константы, зависящие от природы адсорбента и адсорбата (причем \( 1/n < 1 \)). Уравнение Фрейндлиха не применимо при очень малых и очень больших концентрациях, так как не учитывает предел насыщения поверхности. Вопрос 16. Молекулярная адсорбция. Особенности. Молекулярная адсорбция происходит при поглощении молекул неэлектролитов из растворов на твердых адсорбентах. Особенности: 1. Конкуренция: за места на поверхности борются молекулы растворенного вещества и молекулы растворителя. 2. Правило выравнивания полярностей (Ребиндера): адсорбция идет в том случае, если адсорбент по полярности занимает промежуточное положение между растворителем и адсорбатом. 3. Влияние природы растворителя: чем хуже данное вещество растворяется в данном растворителе, тем лучше оно будет адсорбироваться на твердой поверхности. Вопрос 18. Ионно-обменная адсорбция. Особенности. Это процесс, при котором адсорбент и раствор обмениваются эквивалентными количествами одноименно заряженных ионов. Особенности: 1. Специфичность: обмениваются только определенные ионы. 2. Эквивалентность: обмен происходит в строго эквивалентных соотношениях зарядов. 3. Обратимость: процесс может быть смещен в ту или иную сторону изменением концентрации. 4. Зависимость от pH среды: многие иониты (вещества, способные к обмену) меняют свои свойства в зависимости от кислотности раствора. Ионный обмен широко используется для очистки и умягчения воды. Вопрос 20. Полное смачивание, полное несмачивание, неполное смачивание. Смачивание определяется взаимодействием сил адгезии (между жидкостью и поверхностью) и когезии (внутри жидкости). Состояние характеризуется краевым углом \( \theta \): 1. Полное смачивание: жидкость растекается тонкой пленкой по поверхности. Краевой угол \( \theta \to 0^{\circ} \). 2. Неполное смачивание: жидкость образует каплю, имеющую форму сегмента шара. Краевой угол находится в пределах \( 0^{\circ} < \theta < 90^{\circ} \) (поверхность гидрофильная). 3. Неполное несмачивание: капля сильно стянута, угол \( 90^{\circ} < \theta < 180^{\circ} \) (поверхность гидрофобная). 4. Полное несмачивание: жидкость практически не касается поверхности, \( \theta \to 180^{\circ} \) (в земных условиях практически не встречается). Вопрос 22. Адгезия и когезия. 1. Когезия — это притяжение между молекулами (атомами, ионами) внутри одной фазы. Она определяет целостность вещества. Работа когезии \( W_k \) — это энергия, необходимая для разрыва столбика вещества площадью \( 1 \, м^2 \): \[ W_k = 2 \sigma \] 2. Адгезия — это взаимодействие между соприкасающимися поверхностями двух разных фаз. Работа адгезии \( W_a \) определяется уравнением Дюпре: \[ W_a = \sigma_{ж-г} + \sigma_{т-г} - \sigma_{т-ж} \] Связь между ними выражается уравнением Юнга-Дюпре: \[ W_a = \sigma_{ж-г} (1 + \cos \theta) \] Если \( W_a > W_k \), жидкость смачивает поверхность. Вопрос 24. Очистка дисперсных систем. После получения золи часто содержат избыток электролитов, которые могут вызвать коагуляцию. Основные методы очистки: 1. Диализ — основан на свойстве полупроницаемых мембран пропускать мелкие молекулы и ионы примесей, но задерживать коллоидные частицы. 2. Электродиализ — ускоренный диализ под действием постоянного электрического тока. 3. Ультрафильтрация — фильтрование под давлением через мембраны с очень мелкими порами. 4. Вивидиализ — метод очистки крови (искусственная почка), являющийся примером применения коллоидной химии в медицине. Вопрос 26. Два вида устойчивости дисперсных систем (по Пескову). 1. Кинетическая (седиментационная) устойчивость — способность частиц дисперсной фазы удерживаться во взвешенном состоянии под влиянием броуновского движения, противодействуя силе тяжести. Характерна для высокодисперсных систем. 2. Агрегативная устойчивость — способность частиц сохранять свою индивидуальность, то есть не объединяться при столкновениях. Она обеспечивается наличием на частицах электрического заряда и гидратных оболочек. Вопрос 28. Кинетика коагуляции электролитов. Кинетика описывает скорость процесса объединения частиц. Согласно теории Смолуховского, различают: 1. Быстрая коагуляция — каждое столкновение частиц приводит к их слипанию. Скорость зависит только от интенсивности броуновского движения. 2. Медленная коагуляция — только часть столкновений (наиболее энергичных) приводит к образованию агрегатов. Это происходит, когда энергетический барьер между частицами снижен, но не устранен полностью. Вопрос 30. Теория устойчивости и коагуляции лиофобных дисперсных систем (Теория ДЛФО). Теория Дерягина, Ландау, Фервея и Овербека (ДЛФО) объясняет устойчивость балансом двух сил: 1. Силы молекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса), которые действуют на малых расстояниях. 2. Силы электростатического отталкивания, возникающие при перекрывании двойных электрических слоев (ДЭС) сближающихся частиц. Суммарная энергия взаимодействия \( E_{сумм} \) равна: \[ E_{сумм} = E_{отт} + E_{прит} \] Если барьер отталкивания высок, система устойчива. При добавлении электролита ДЭС сжимается, барьер исчезает, и наступает коагуляция.