Водонагрівачі

Одержання та очищення дисперсних систем. Отримання та очищення дисперсних систем (ДС)

Методи конденсації порівняно з методами диспергування дають змогу отримувати колоїдні системи вищої дисперсності. Крім того, вони зазвичай не пов'язані із застосуванням спеціальних машин.

Конденсаційні методи отримання дисперсних систем засновані на створенні умов, за яких майбутнє дисперсійне середовище переживається речовиною майбутньої дисперсної фази. Залежно від способів створення цих умов конденсаційний метод поділяють на фізичнийі хімічний.

До фізичної конденсації відносяться:

а) Конденсація парипри пропущенні через холодну рідину, у результаті утворюються ліозоли. Так, при пропусканні парів киплячої ртуті, сірки, селену холодну водуутворюються їх колоїдні розчини.

б) Заміна розчинника. Метод заснований на тому, що речовина, з якої хочуть отримати золь, розчиняють у відповідному розчиннику, потім додають другу рідину, що є поганим розчинником для речовини, але добре змішується з вихідним розчинником. Розчинена спочатку речовина виділяється з розчину високодисперсному стані. Наприклад, таким шляхом можна отримати гідрозолі сірки, фосфору, каніфолі, парафіну та багатьох інших органічних речовин, вливаючи їх спиртовий розчин у воду.

Хімічна конденсаціявідрізняється від усіх розглянутих вище методів тим, що диспергируемое речовина беруть над готовому вигляді, а отримують у розчині хімічної реакцією, у результаті якої утворюється нерозчинне у цьому середовищі потрібне соединение. Завдання зводиться до того, щоб отримати осад, що випадає в дрібнодисперсному стані. При зливанні розчинів необхідно домогтися таких умов, щоб виникло багато центрів кристалізації, тоді кристалики, що утворюються, будуть дуже маленького розміру. Оптимальні умови одержання золів (концентрація розчинів, порядок зливання, швидкість зливання, співвідношення компонентів, температура) зазвичай знаходять досвідченим шляхом.

У методах хімічної конденсації використовуються будь-які реакції, що ведуть освіту нової фази: реакція подвійного обміну, розкладання, окислення-відновлення тощо. Можна використовувати електрохімічні реакції, наприклад відновлення металів електролізом.

Нижче наведено деякі приклади синтезу колоїдних систем з використанням різних реакцій. Стабілізатором колоїдного розчину служить зазвичай один з учасників реакції або побічний продукт, з яких на межі розділу частка - середовище утворюються адсорбційні шари іонного або молекулярного типу, що перешкоджають злипання частинок і випадання їх в осад.

При взаємодії газоподібних NH 3 і HCl утворюється аерозоль (дим) твердого хлориду амонію (реакція сполуки):

NH 3 + HCl = NH 4 Cl

Реакцією тіосульфату натрію із сірчаною кислотою можна отримати гідрозолю сірки (реакція окислення-відновлення):

Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = S + Na 2 SO 4 + SO 2 + H 2 O

Багато зол можна синтезувати за допомогою реакцій обміну:

Na 2 SiO 3 + 2HCl = H 2 SiO 3 + 2NaCl

KJ + AgNO 3 = AgJ + KNO 3 .

Отримані золі забруднені домішками низькомолекулярних речовин.

Очищення дисперсних систем

Для очищення дисперсних систем від розчинених низькомолекулярних речовин Грем запропонував скористатися здатністю дрібнопористих плівок (мембран) затримувати частки дисперсної фази та вільно пропускати іони та молекули. Цей спосіб названий діалізом.

Дисперсну систему, що очищається, поміщають у посудину, виготовлену з дрібнопористого матеріалу, або має дрібнопористе дно (рис. 9.33 а). Посудину омивається проточною водою (дистильованою). Відповідно до законів дифузії, іони та молекули розчиненої речовини, що містяться в дисперсній системі у вигляді домішок, проникають через пори мембрани в дистильовану воду, а частинки дисперсної фази затримуються та залишаються у дисперсній системі.

Рис. 9.33. Схеми діалізатора (а) та електродіалізатора (б)

Швидкість діалізу дуже мала, але його можна значно збільшити (в 10-20 разів), скориставшись дією електричного поля на іони розчиненої домішки. Такий метод очищення дисперсних систем від домішок електролітів називають електродіалізом.

Електродіалізатор (рис.9.33. б) - це посудина, розділена мембранами на три відсіки, з яких середній заповнюють дисперсною системою, що очищається, а в крайніх розміщені електроди; через ці ж відсіки циркулює рідина, однорідна з речовиною дисперсійного середовища системи, що очищається. При накладенні на електроди достатньої різниці потенціалів (кілька сотень вольт) дисперсна система відносно швидко очищається від електроліту.

Нині діаліз використовують у багатьох виробництвах. Особливо ефективний він у медицині. Наприклад, на принципі електролізу засновано дію апарату "штучна нирка", що дозволяє очищати кров хворого від шкідливих продуктів життєдіяльності організму.

Ультрафільтрація – метод очищення золів шляхом продавлювання дисперсійного середовища з низькомолекулярними домішками через ультрафільтри. Ультрафільтри – це мембрани з таким розміром пір, через які проходять домішки та розчинник, але не проходять частки золю (або високомолекулярних сполук).

У мішечок, виготовлений з ультрафільтра, наливають золь, що очищається, і під тиском продавлюють його через мембрану. Дисперсійне середовище оновлюють, додаючи до золи чистий розчинник. У мішечку залишається чиста золь.

Таким чином, для отримання дисперсних систем використовують як методи подрібнення великих частинок ( диспергування), і методи, засновані на об'єднанні молекулярних частинок до колоїдних розмірів ( конденсація). Диспергаційні методи дозволяють отримувати грубодисперсні системи з великими розмірами частинок. Конденсаційні методи дозволяють одержувати високодисперсні золі. Очищення дисперсних систем від низькомолекулярних домішок здійснюють за допомогою дрібнопористих фільтрів. мембран.

Відомі два способи одержання дисперсних систем. В одному з них тонко подрібнюють (диспергують) тверді та рідкі речовини у відповідному дисперсійному середовищі, в іншому викликають утворення частинок дисперсійної фази окремих молекул або іонів.

Методи отримання дисперсних систем подрібненням більших частинок називають диспергаційними.Методи, засновані на утворенні частинок у результаті кристалізації чи конденсації, називають конденсаційними.

23) Властивості калоїдів.

I тип - суспензоїди(або незворотні колоїди, ліофобні колоїди). Колоїдні розчини металів, їх оксидів, гідроксидів, солей. Первинні частинки дисперсної фази не відрізняються від структури відповідної речовини, мають молекулярну або іонну решітку. Це високодисперсні системи з розвиненою міжфазною поверхнею. Від суспензій вони відрізняються дисперсністю. Їх назвали так тому, що вони не можуть довго існувати без стабілізатора

II тип – асоціативні (міцелярні колоїди) -напівколоїди. Частинки цього виникають при достатньої концентрації дифільних молекул низькомолекулярних речовин в агрегати молекул – міцели. Міцели - скупчення правильно розташованих молекул, які утримуються дисперсійними силами. Утворення міцел характерне для водних розчинів миючих речовин та деяких органічних барвників. В інших середовищах ці речовини розчиняються з утворенням молекулярних розчинів.
III тип - молекулярні колоїди -ліофільними (греч «філія» - люблю). До них відносяться природні та синтетичні високомолекулярні речовини з молекулярною масою від десяти тисяч до кількох мільйонів. Молекули цих речовин мають розміри колоїдних частинок, тому молекули називають макромолекулами.
Головна особливістьколоїдних частинок - їхній малий розмір d:1 нм< d < 10мкм

1) Діаліз.Найпростішим приладом для діалізу - діалізатором - є мішечок з напівпроникного матеріалу (колодія), в який міститься рідина, що діалізується. Мішечок опускається в посудину з розчинником (водою). Періодично або постійно змінюючи розчинник у діалізаторі можна практично повністю видалити з колоїдного розчину домішки електролітів та низькомолекулярних неелектролітів.
^ 2) Електродіаліз- процес діалізу, що прискорюється дією електричного струму. Електродіаліз застосовують для очищення колоїдних розчинів, забруднених електролітами. Якщо необхідно очищення колоїдних розчинів від низькомолекулярних неелектролітів, процес електродіалізу малоефективний. Процес електродіалізу мало відрізняється від звичайного діалізу.
^ 3) Ультрафільтрація- фільтрування колоїдних розчинів через напівпроникну мембрану, що пропускає дисперсійне середовище
низькомолекулярними домішками та затримуючу частинки дисперсної фази або макромолекули. Для прискорення процесу ультрафільтрації її проводять при перепаді тиску з обох боків мембрани: під вакуумом або
підвищеним тиском.
Ультрафільтрація є не що інше, як діаліз, що проводиться під тиском

24) Гідрофобні колоїдно-дисперсні системи.
Гідрофобні колоїди

дисперсні системи, у яких диспергована речовина не взаємодіє з дисперсним середовищем (водою). Див. Гідрофільність та гідрофобність.

Дисперсні системи,утворення з двох або більшої кількості фаз (тіл) з сильно розвиненою поверхнею поділу між ними. У Д. с. принаймні одна з фаз - дисперсна фаза - розподілена у вигляді дрібних частинок (кристаликів, ниток, плівок або пластинок, крапель, бульбашок) в іншій, суцільній фазі - дисперсійному середовищі. Д. с. за основною характеристикою - розмірами частинок або (що те саме) дисперсності (визначеним ставленням загальної площіміжфазної поверхні до обсягу дисперсної фази) - діляться на грубо (низько) дисперсні та тонко (високо) дисперсні, або колоїдні системи (колоїди). У грубодисперсних системах частинки мають розмір від 10 -4 смі вище, в колоїдних - від 10 -4 -10 -5 до 10 -7 см.

25) Електрофорез та електроосмос.

Електроосмос
Спрямоване переміщення рідини в пористому тіліпід дією прикладеної різниці потенціалів називається електроосмосом. Розглянемо, наприклад, електроосмотичний ковзання електроліту в капілярі або порах мембрани. Приймемо для визначеності, що на поверхні адсорбовані негативні іони, закріплені нерухомо, а позитивні іони формують дифузну частину ДЕС. Зовнішнє поле Е спрямоване вздовж поверхні. Електростатична сила, що діє будь-який довільний елемент дифузної частини ДЕС, викликає рух цього елемента вздовж поверхні. Оскільки щільність заряду в дифузній частині ДЕС Ф(х) змінюється в залежності від відстані до поверхні х (рис. 1), розкладені шари рідкого електроліту рухаються з різними швидкостями. Стаціонарний стан (незмінність у часі швидкості течії) буде досягнуто, коли діюча на довільний шар рідини електростатична сила компенсується силами в'язкого опору, що виникають через відмінність швидкостей руху шарів рідини, що знаходяться на різному віддаленні від поверхні. Рівняння гідродинаміки, що описують рух рідини при постійних в'язкості рідини та її діелектричної проникності м. б. вирішені точно, результатом рішення є розподіл швидкості течії:

Тут- значення електричного потенціалу з відривом від поверхні, де швидкість течії рідини перетворюється на нуль (т. зв. площину ковзання).

Електрофорез
Спрямоване переміщення частинок дисперсної фази під дією різниці потенціалів називається електрофорезом.

Електрофоретичний рух частинок в електроліті має споріднену електроосмосу природу: зовнішнє електричне поле захоплює іони рухомої частини ДЕС, змушуючи шари рідини, що межують із частинками, переміщатися щодо поверхні частинок. Однак в силу масивності об'єму рідини і малості завислих частинок ці переміщення зводяться у відсутність зовнішніх сил до руху частинки в рідині, що покоїться. Для непровідних частинок із плоскою поверхнею в системах із тонкою дифузною частиною ДЕС швидкість електрофорезу збігається зі швидкістю електроосмотичного ковзання, взятою зі зворотним знаком. Для провідних сферичних частинок швидкість електрофорезу м. б. розрахована за рівнянням:

де-питома електрична провідність частки.

26) Будова міцел золів.
Будова колоїдної міцели

Ліофобні колоїди мають дуже високу поверхневу енергію і тому термодинамічно нестійкі; це уможливлює мимовільний процес зменшення ступеня дисперсності дисперсної фази (тобто об'єднання частинок у більші агрегати) – коагуляцію золів.Проте золям властива здатність зберігати ступінь дисперсності. агрегативна стійкість, яка обумовлена, по-перше, зниженням поверхневої енергії системи завдяки наявності на поверхні частинок дисперсної фази подвійного електричного шару та, по-друге, наявністю кінетичних перешкод для коагуляції у вигляді електростатичного відштовхування частинок дисперсної фази, що мають однойменний електричний заряд.

AgNO 3 + KI -> AgI + KNO 3

27) Коагуляція гідрофобних золів.

Гідрофобні дисперсні системи характеризуються кінетичною агрегативною стійкістю, яка визначається швидкістю процесу коагуляції. Кінетика коагуляції визначається рівнянням Смолуховського:

де - сумарна кількість частинок дисперсної фази до часу τ ;

Початкове число частинок; - час половинної коагуляції; ^ До- Константа швидкості коагуляції.

28) Високомолекулярні сполуки. Будова. Розчинення та набухання

Розчини високомолекулярних сполук (ВМС)

Високомолекулярними сполуками називаються речовини, що мають молекулярну масу від 10000 до декількох мільйонів а.

Розміри молекул ВМС у витягнутому стані можуть сягати 1000 нм, тобто. співмірні з розмірами частинок у колоїдних розчинах та мікрогетерогенних системах.

Температура кипіння ВМС значно вища за температуру розкладання, тому вони існують, як правило, тільки в рідкому або твердому стані

Макромолекули ВМС є гігантськими утвореннями, що складаються з сотень і тисяч атомів, хімічно пов'язаних між собою.

Всі ВМС за походженням можна поділити на природні, що утворюються при біохімічному синтезі, та синтетичні, що одержуються штучно шляхом полімеризації або поліконденсації.

Залежно від будови полімерного ланцюга ВМС поділяються на лінійні, розгалужені та просторові.

Подібно до справжніх розчинів низькомолекулярних речовин розчини ВМС утворюються мимовільно і є термодинамічно стійкими. У цьому полягає їхня відмінність від ліофобних колоїдних систем. Термодинамічна стійкість обумовлена сприятливим співвідношенням ентальпійного та ентропійного факторів.

ВМС мають ряд властивостей, притаманних дисперсних систем: вони здатні утворювати асоціати, розмір яких можна порівняти з розмірами частинок золів (1-100 нм), розсіюють світло, сприяють утворенню емульсій, суспензій і пін, їм характерні дифузія і броунівський рух. У той самий час, на відміну лиофобных золів у розчинах ВМС відсутня гетерогенність, тобто. немає великої міжфазної поверхні.

Специфічною властивістю, властивою лише ВМС, є набухання при взаємодії з розчинником. Набухання може бути обмеженим та необмеженим. Останнє призводить до розчинення полімеру.

Існує велика кількість ВМС, які у розчині дисоціюють з утворенням високомолекулярних іонів, вони називаються поліадектролітами. Залежно від природи полімерних груп поліелектроліти можуть бути катіонними, аніонними та амфотерними. Останні містять у своєму складі одночасно кислотні та основні групи. Залежно від рН середовища вони дисоціюють як кислоти чи як основи. Стан, при якому позитивні та негативні заряди в молекулі білка скомпенсовані, називається ізоелектричним, а значення рН, при якому молекула переходить в ізоелектричний стан, називається ізо - електричною точкою білка (ІТБ).

Існують два загальні підходи до отримання дисп. систем – дисперсійний та конденсаційний. Дисперсійний метод ґрунтується на подрібненні макроскопічних частинок до нанорозмірів (1-100 нм).

Механічне подрібнення не набуло широкого поширення через велику енергоємність. У лабораторній практиці використовують ультразвукове подрібнення. При подрібненні конкурують два процеси: диспергування та агрегування часток, що виникають. Співвідношення швидкостей цих процесів залежить від тривалості помелу, температури, природи рідкої фази, присутності стабілізаторів (найчастіше ПАР). Підбираючи оптимальні умови, можна отримати частинки необхідного розміру, проте розподіл часток за розмірами досить широким.

Найцікавіше мимовільне диспергування тв тіл у рідкій фазі. Подібний процес може спостерігатися для речовин, що мають шарувату структуру. У таких структурах має місце сильна взаємодія між атомами всередині шару і слабка взаємодія між шарами. Наприклад, сульфіди молібдену та вольфраму, що мають шарувату структуру, мимоволі диспергуються в ацетонітрилі з утворенням бішарових частинок нанометрового розміру. При цьому рідка фаза проникає між шарами, збільшує міжшарову відстань, взаємодія між шарами слабшає. Під впливом теплових коливань відбувається відрив наночастинок із поверхні тв фази.

Конденсаційні методиподіляються на фізичні та хімічні. Формування наночастиноіснує через ряд перехідних станів при утворенні проміжних ансамблів, що призводять до виникнення зародка нової фази, спонтанному його зростанню та появі фізичної поверхні розділу фаз. Важливо забезпечити високу швидкість утворення зародка та малу швидкість його зростання.

Фізичні методи широко використовуються для одержання металевих ульрадисперсних частинок. Ці методи є дисперсійно-конденсаційними. На першій стадії метал диспергують до атомів при випаровуванні. Потім за рахунок пересичення пар відбувається конденсація.

Метод молекулярних пучківзастосовують для отримання покриттів завтовшки близько 10 нм. Вихідний матеріал у камері з діафрагмою нагрівають до високих температур у вакуумі. Частки, що випарувалися, проходячи через діафрагму, утворюють молекулярний пучок. Інтенсивність пучка та швидкість конденсації частинок на підкладці можна змінювати, варіюючи температуру та тиск пари над вихідним матеріалом.

Аерозольний методполягає у випаровуванні металу в розрідженій атмосфері інертного газу при зниженій температурі з подальшою конденсацією парів. Цим методом були отримані наночастинки Au, Fe, Co, Ni, Ag, Al; їх оксидів, нітридів, сульфідів.

Кріохімічний синтеззаснований на конденсації атомів металу (або з'єднань металу) при низькій температурі в інертній матриці.

Хімічна конденсація. Колоїдний розчин золота (червоного) з розміром частинок був отриманий в 1857 Фарадеєм. Цю золь демонструють у Британському музеї. Стійкість його пояснюється утворенням ДЕС на поверхні розділу тв фаза-розчин і виникненням електростатичної складової тиску, що розклинює.

Часто синтез наночастинок проводять у розчині під час протікання хімічних реакцій. Для отримання металевих частинок застосовують реакції відновлення. Як відновник використовують алюмо-і борогідриди, гіпофосфіти та ін. Наприклад, золь золота з розміром частинок 7 нм отримують відновленням хлориду золота боргідридом натрію.

Наночастинки солей або оксидів металів одержують у реакціях обміну або гідролізу.

Як стабілізатори використовують природні та синтетичні ПАР.

Були синтезовані наночастинки змішаного складу. Наприклад, Cd/ZnS, ZnS/CdSe, TiO 2 /SiO 2 . Такі наночастинки одержують осадженням молекул одного типу (оболонка) на попередньо синтезованій наночастинці іншого типу (ядро).

Основний недолік всіх методів - це широке розподіл наночастинок за розмірами. Один із методів регулювання розмірів наночастинок пов'язаний з отриманням наночастинок у зворотних мікроемульсіях. У зворотних мікроемульсіях дис фаза – вода, дис середовище – олія. Розмір крапель води (або іншої полярної рідини) може змінюватись у широких межах залежно від умов отримання та природи стабілізатора. Крапля води грає роль реактора, у якому утворюється нова фаза. Розмір частки, що утворюється, обмежений розмірами краплі, форма цієї частинки повторює форму краплі.

Золь-гелевий методмістить наступні стадії: 1. приготування вихідного розчину, зазвичай містить алкоксиди металів М(ОR) n де М-це кремній, титан, цинк, алюміній, олово, церій та ін, R-алкал або арил; 2. утворення гелю з допомогою реакцій полімеризації; 3. сушіння; 4. термообробка. В органічних розчинниках проводять гідроліз

М(ОР) 4 +4H 2 OM(OH) 4 +4ROH.

Потім відбувається полімеризація та утворення гелю

mM(OH) n (MO) 2 +2mH 2 O.

Метод пептизації.Розрізняють пептизацію при промиванні осаду, пептизацію осаду електролітом; пептизацію поверхнево-активними речовинами; хімічну пептизацію.

Пептизація при промиванні осаду зводиться до видалення з осаду електроліту, що спричиняє коагуляцію. При цьому товщина ДЕС збільшується, сили іонно-електростатичного відштовхування переважають силами міжмолекулярного тяжіння.

Пептизація осаду електролітом пов'язана із здатністю одного з іонів електроліту адсорбуватися на частинках, що сприяє формуванню ДЕС на частинках.

Пептизація поверхнево-активними речовинами. Макромолекули ПАР адсорбуються на частинках або надають їм заряд (іоногенні ПАР) або формують адсорбційно-сольватний бар'єр, що перешкоджає злипання частинок в осаді.

Хімічна пептизація відбувається, коли речовина, що додається в систему, взаємодіє з речовиною осаду. При цьому утворюється електроліт, який формує ДЕС на поверхні частинок.

Введение…………………………………………………………стор. 3

Основна частина

1. Отримання дисперсних систем………………………………стор. 5

1.1. Диспергаційні методи………………………………..стор. 5

1.2. Конденсаційні методи………………………………..стор. 7

2. Очищення дисперсних систем………………………………..стор. 10

Додаток………………………………………………………стор. 12

Список використаної литературы……………………………стр.13

Вступ

У колоїдній хімії широко використовуються багато понять з курсу фізичної хімії, у тому числі фаза, гомогенна та гетерогенна системи.

Фаза – частина системи одного складу, однакових фізичних властивостей, обмежена з інших частин поверхнею розділу. Систему, що складається з однієї фази, називають гомогенною. Гетерогенна система складається із двох і більше фаз. Гетерогенну систему, в якій одна із фаз представлена у вигляді частинок мікроскопічних розмірів, називають мікрогетерогенний.Гетерогенна система може містити частинки значно менших розмірів у порівнянні з видимими оптичним мікроскопом. Такі частки спостерігають за допомогою ультрамікроскопії. Систему, що містить такі малі частинки, називають ультрамікрогетерогенної. За пропозицією Оствальда і Веймарна, фазу, що входить до мікрогетерогенної та ультрамікрогетерогенної системи у вигляді дрібних частинок, називають дисперсний .

Мікрогетерогенні та ультрамікрогетерогенні системи – представники особливого класу гетерогенних систем, які називаються дисперсними системами .

Колоїдна хімія - це наука про властивості гетерогенних високодисперсних систем і про процеси, що протікають в них.

Маючи надлишок вільної енергії, типові високодисперсні системи є термодинамічно нестійкими. Їх характерні мимовільні процеси, що знижують зазначений надлишок шляхом зменшення дисперсності. При цьому система, залишаючись незмінною за своїм хімічним складом, змінює енергетичні характеристики, а отже, і колоїдно-хімічні властивості. У аналізованих процесах, на відміну хімічних, система виявляє нестійкість, мінливість, високу лабільність, залишаючись у той самий час «сам собою» (зберігаючи склад).

Всі ці особливості – невоспроизводимость, структурообразование і лабільність – мають значення у процесі еволюції матерії до найбільш високоорганізованої її формі – життя. Потенційні можливості життєвих процесів вже укладені, як у зародку, дисперсних системах, з яких побудовано живу речовину. Колоїдний рівень матерії, надмолекулярний або високомолекулярний, що відповідає «молекулярному рівню» в біології, є необхідною і неминучою ланкою у процесі еволюції.

Комплексні біологічні проблеми, що домінують нині у природознавстві, вирішуються значною мірою на основі фізичної хімії дисперсних систем. Тому вивчення колоїдної хімії набуває особливо важливого і важливого значення у розвиток науки у теперішньому та майбутньому.

У цій роботі розглядаються основні способи отримання та очищення дисперсних систем, які класифікують як золіз рідким дисперсійним середовищем та твердою дисперсною фазою (золь [нім. Sole від solutio(Лат.)] - колоїдний розчин). За розміром частинок золі відносять до колоїдно-дисперсного типу систем (10-7-10-9 м).

Отримання матеріалів з необхідними властивостями у багатьох випадках включення як технологічних процесівутворення (диспергаційне або конденсаційне) частинок дисперсної фази та їх коагуляцію в рідкому дисперсійному середовищі. З іншого боку, коагуляція та осадження суспензій є одним з етапів процесів водоочищення. Це відноситься не тільки до шкідливих побутових суспензій і відходів різних технологічних процесів, але і до спеціально одержуваних зол гідроксидів металів, які вводять у воду для уловлювання домішок ПАР та іонів важких металів. Методи управління цими процесами засновані на застосуванні загальних закономірностей освіти та руйнування дисперсних систем у поєднанні з вивченням їх специфічних властивостей, особливо здатності до формування просторових дисперсних структур із характерними механічними властивостями. Ці колоїдно - хімічні явища лежать в основі багатьох геологічних процесів, наприклад, що ведуть до формування ґрунтового шару, який став основою розвитку життя на Землі.

Основна частина

1.Отримання дисперсних систем.

1.1.Діспергаційні методи.

Ця група методів об'єднує перш за все механічні методи, у яких подолання міжмолекулярних сил та накопичення вільної поверхневої енергії в процесі диспергування відбувається за рахунок зовнішньої механічної роботинад системою. В результаті тверді тіла роздавлюються, стираються, дробляться або розщеплюються, причому характерно це не тільки для лабораторних або промислових умов, але і для диспергування, що відбуваються в природі (результат дроблення і стирання твердих порід підлогу дією сил прибою, приливно-відливні явища, процеси вивітрювання та вилуговування тощо).

У лабораторних та промислових умовах аналізовані процеси проводять у дробарках, жорнах та млинах різної конструкції. Найбільш поширені кульові млина.Це порожні циліндри, що обертаються, в які завантажують подрібнюваний матеріал і сталеві або керамічні кулі. При обертанні циліндра кулі перекочуються, стираючи матеріал, що подрібнює. Подрібнення може й у результаті ударів куль. У кульових млинах отримують системи, розміри частинок яких у досить широких межах: від 2 – 3 до 50 – 70 мкм. Порожнистий циліндр з кулями можна приводити в круговий коливальний рух, що сприяє інтенсивному дробленню завантаженого матеріалу під дією складного руху тіл, що подрібнюють. Такий пристрій називається вібраційним млином.

Більш тонкого диспергування досягають у колоїдних млинахрізних конструкцій, принцип дії яких заснований на розвитку зусиль, що розривають, в суспензії або емульсії під дією відцентрової сили у вузькому зазорі між ротором, що обертається з великою швидкістю, і нерухомою частиною пристрою – статором. Зважені великі частинки відчувають при цьому значне розривне зусилля і таким чином диспергуються. Тип колоїдного млина, поширений нині, зображений на рис. 1 (дивись програму). Цей млин складається з ротора, що представляє конічний диск 1, що сидить на валу 2, і статора 3. Ротор приводиться в обертання за допомогою спеціального вертикального розташованого мотора, що здійснює зазвичай близько 9000 об/хв. Робочі поверхні ротора і 4 статора пришліфовані один до одного і товщина щілини між ними становить близько 0,05 мм. Груба суспензія подається в млин по трубі 5 під диск, що обертається, відцентровою силою, що розвивається в результаті обертань ротора, проштовхується через щілину і потім видаляється з млина через трубу 6. При проходженні рідини у вигляді тонкої плівки через щілину зважені в рідині частинки випробовують подрібнюються. Ступінь дисперсності отриманої системи залежить від товщини щілини і швидкості обертання ротора: чим менше зазор і більше швидкість, тим більше зсувне зусилля і, отже, буде дисперсність.

Високу дисперсність можна досягти ультразвуковим диспергуванням. Діспергуюча дія ультразвуку пов'язана з кавітацією - утворенням і захлопування порожнин в рідині. Захлопування порожнин супроводжується появою кавітаційних ударних хвиль, які й руйнують матеріал. Експериментально встановлено, що дисперсність знаходиться у прямій залежності від частоти ультразвукових коливань. Особливо ефективно ультразвукове диспергування, якщо матеріал попередньо підданий тонкому подрібненню. Емульсії, одержані ультразвуковим методом, відрізняються однорідністю розмірів частинок дисперсної фази.

До диспергаційних методів одержання золів можна віднести метод Бредіга, який заснований на утворенні вольтової дуги між електродами з металу, що диспергується, поміщеними у воду. Сутність методу полягає в розпиленні металу електрода в дузі, а також у конденсації парів металу, що утворюються при високій температурі. Тому електричний спосіб поєднує у собі риси диспергаційних та конденсаційних методів. Метод електророзпилення був запропонований Бредігом у 1898 р. Бредіг включав у ланцюг постійного струмусилою 5-10 А і напругою 30-110 В амперметр, реостат і два електроди з металу, що диспергується. Електроди він занурював у посудину з водою, що охолоджується зовні льодом. Схематичний пристрій, яким користувався Бредіг, показано на рис. 2 (дивись програму). При проходженні струму через електроди між ними під водою виникає вольтова дуга. При цьому у електродів утворюється хмарка високодисперсного металу. Для отримання більш стійкий зол у воду, в яку занурені електроди, доцільно вводити сліди стабілізуючих електролітів, наприклад гідроксидів лужних металів.

Більше загальне значеннямає спосіб Сведберга,в якому використовується коливальний розряд високої напруги, що призводить до проскакування іскри між електродами. Цим способом можна отримувати не тільки гідрозолі, а й органозол різних металів.

При дробленні та подрібненні матеріали руйнуються насамперед у місцях міцнісних дефектів (макро- та мікротріщин). Тому в міру подрібнення міцність частинок зростає, що зазвичай використовують для створення міцніших матеріалів. У той же час збільшення міцності матеріалів у міру їх подрібнення веде до великої витрати енергії на подальше диспергування. Руйнування матеріалів може бути полегшене під час використання ефекту Ребіндера- Адсорбційне зниження міцності твердих тіл. Цей ефект полягає у зменшенні поверхневої енергії за допомогою поверхнево-активних речовин (ПАР), внаслідок чого полегшується деформування та руйнування твердого тіла. Як такі ПАР, званих у цьому випадку знижувачами твердостіможуть бути використані, наприклад, рідкі метали для руйнування твердих металів, органічні речовини для зменшення міцності органічних монокристалів. Для понизителів твердості характерні малі кількості, що викликають ефект Ребіндера, та специфічність дії. Добавки, що змочують матеріал, допомагають проникнути середовищу місця дефектів і з допомогою капілярних сил також полегшують руйнування твердого тіла. ПАР не тільки сприяють руйнуванню матеріалу, але й стабілізують дисперсний стан, так як, покриваючи поверхню частинок, вони тим самим перешкоджають зворотному злипання їх або злиття (для рідин). Це також сприяє досягненню високодисперсного стану.

Застосуванням диспергаційних методів досягти дуже високої дисперсності зазвичай не вдається. Системи з розмірами частинок порядку 10-6 - 10-7 см отримують конденсаційними методами.

1.2. Конденсаційні методи.

В основі конденсаційних методів лежать процеси виникнення нової фази шляхом з'єднання молекул, іонів або атомів у гомогенному середовищі. Ці методи можна поділити на фізичні та хімічні.

Фізична конденсація.Найважливіші фізичні методи отримання дисперсних систем конденсація з пари та заміна розчинника.Найбільш наочним прикладом конденсації з пари є утворення туману. При зміні параметрів системи, зокрема при зниженні температури, тиск пари може стати вище за рівноважний тиск пари над рідиною (або над твердим тілом) і в газовій фазі виникає нова рідка (тверда) фаза. В результаті система стає гетерогенною – починає утворюватися туман (дим). Таким шляхом отримують, наприклад, маскувальні аерозолі, що утворюються при охолодженні пари P 2 O 5 , ZnO та інших речовин. Ліозолі виходять у процесі спільної конденсації парів речовин, що утворюють дисперсну фазу та дисперсійне середовище на охолодженій поверхні.

Широко застосовують метод заміни розчинника, заснований, як і попередній, на такій зміні параметрів системи, при якому хімічний потенціал компонента в дисперсійному середовищі стає вищим за рівноважний і тенденція до переходу в рівноважний стан призводить до утворення нової фази. На відміну від методу конденсації парів (зміна температури), метод заміни розчинника змінюють склад середовища. Так, якщо насичений молекулярний розчин сірки в етиловому спирті влити у великий обсяг води, то отриманий розчин спиртоводної суміші виявляється вже пересиченим. Пересичення призведе до агрегування молекул сірки з утворенням частинок нової фази дисперсної.

Методом заміни розчинника отримують золі сірки, фосфору, миш'яку, каніфолі, ацетилцелюлози та багатьох органічних речовин, вливаючи спиртові або ацетонові розчини цих речовин у воду.

Хімічна конденсація. Ці методи також засновані на виділенні конденсаційної нової фази з пересиченого розчину. Однак на відміну від фізичних методів, речовина, що утворює дисперсну фазу, утворюється в результаті хімічної реакції. Таким чином, будь-яка хімічна реакція, що йде з утворенням нової фази, може бути джерелом отримання колоїдної системи. Як приклади наведемо такі хімічні процеси.

1.Відновлення.Класичний приклад цього методу – отримання золю золота відновленням золотохлористоводневої кислоти. Як відновник можна застосовувати пероксид водню (метод Зігмонді):

2HauCl 2 +3H 2 O 2 ®2Au+8HCl+3O 2

Відомі та інші відновники: фосфор (М. Фарадей), танін (В. Освальд), формальдегід (Р. Жигмонді). Наприклад,

2KauO 2 +3HCHO+K 2 CO 3 =2Au+3HCOOK+KHCO 3 +H 2 O

2.Окислення.Окисні реакції широко поширені в природі. Це пов'язано з тим, що при підйомі магматичних розплавів і газів, що відокремлюються від них, флюїдних фаз і підземних вод всі рухомі фази проходять із зони відновлювальних процесів на великій глибині до зон окисних реакцій поблизу поверхні. Ілюстрацією таких процесів є утворення золю сірки в гідротермальних водах, з окислювачами (сірчистим газом або киснем):

2H 2 S+O 2 =2S+2H 2 O

Іншим прикладом може служити процес окислення та гідролізу гідрокарбонату заліза:

4Fe(HCO 3) 2 +O 2 +2H 2 O®4Fe(OH) 3 +8CO 2

Золь гідроокису заліза, що виходить, повідомляє червоно-коричневе забарвлення природним водамі є джерелом іржаво-бурих зон відкладень у нижніх шарах ґрунту.

3. Гідроліз.Широке поширення у природі та важливе значення у техніці має утворення гідрозолів у процесах гідролізу солей. Процеси гідролізу солей застосовують для очищення стічних вод (гідроксід алюмінію, що отримується гідролізом сульфату алюмінію). Висока питома поверхня колоїдних гідроксидів, що утворюються при гідролізі, дозволяє ефективно адсорбувати домішки – молекули ПАР та іони важких металів.

4. Реакція обміну.Цей метод найчастіше зустрічається практично. Наприклад, отримання золю сульфіду миш'яку:

2H 3 AsO 3 +3H 2 S®As 2 S 3 +6H 2 O,

одержання золю йодиду срібла:

AgNO 3 +KI®AgI+KNO 3

Цікаво, що реакції обміну дають змогу отримувати золі в органічних розчинниках. Зокрема, добре вивчено реакцію

Hg(CN) 2 +H 2 S®HgS+2HCN

Її проводять, розчиняючи Hg(CN) 2 в метиловому, етиловому або пропіловому спирті та пропускаючи через розчин сірководень.

Добре відомі в аналітичній хімії реакції, як, наприклад, одержання опадів сульфату барію або хлориду срібла

Na 2 SO 4 + BaCl 2 ® BaSO 4 + 2NaCl

AgNO 3 + NaCl ® AgCl + NaNO 3

в певних умовах призводять до отримання майже прозорих, злегка мутнуватих золів, з яких надалі можуть випадати опади.

Таким чином, для конденсаційного одержання золів необхідно, щоб концентрація речовини розчині перевищувала розчинність, тобто. розчин має бути пересиченим. Ці умови є загальними як освіти високодисперсного золя, і звичайного осаду твердої фази. Однак, у першому випадку потрібно дотримання особливих умов, які, згідно з теорією, розробленою Веймарном, полягає в одночасності виникнення величезної кількості зародків дисперсної фази. Під зародком слід розуміти мінімальнескупчення нової фази, що знаходиться в рівновазі з довкіллям. Для отримання високодисперсної системи необхідно, щоб швидкість утворення зародків була набагато більшою, ніж швидкість зростання кристалів. Практично це досягається шляхом вливання концентрованого розчину одного компонента дуже розбавлений розчин іншого при сильному перемішуванні.

Золі утворюються легше, якщо в процесі їх отримання розчини вводять спеціальні сполуки, звані захисними речовинами, або стабілізаторами. Як захисні речовини при отриманні гідрозолей застосовують мила, білки та інші сполуки. Стабілізатори використовують і для отримання органозолей.

2. Очищення дисперсних систем.

Золі та розчини високомолекулярних сполук (ВМС) містять у вигляді небажаних домішок низькомолекулярні сполуки. Їх видаляють такими способами.

Діаліз.Діаліз був історично першим способом очищення. Його запропонував Т. Грем (1861). Схема найпростішого діалізатора показано на рис. 3 (дивись програму). Золь, що очищається, або розчин ВМС, заливають у посудину, дном якого служить мембрана, що затримує колоїдні частинки або макромолекули і пропускає молекули розчинника і низькомолекулярні домішки. Зовнішнім середовищем, що контактує з мембраною, є розчинник. Низькомолекулярні домішки, концентрація яких у золі або макромолекулярному розчині вище, переходять крізь мембрану у зовнішнє середовище (діалізат). На малюнку напрямок потоку низькомолекулярних домішок показано стрілками. Очищення йде до тих пір, поки концентрації домішок у золі та діалізаті не стануть близькими за величиною (точніше, поки не вирівняються хімічні потенціали у золі та діалізаті). Якщо оновлювати розчинник, можна практично повністю позбутися домішок. Таке використання діалізу є доцільним, коли мета очищення – видалення всіх низькомолекулярних речовин, що проходять крізь мембрану. Однак у ряді випадків завдання може виявитися складнішим – необхідно звільнитися лише від певної частини низькомолекулярних сполук у системі. Тоді як зовнішнє середовище застосовують розчин тих речовин, які необхідно зберегти в системі. Саме таке завдання ставиться при очищенні крові від низькомолекулярних шлаків та токсинів (солей, сечовини тощо).

Ультрафільтрація.Ультрафільтрація – метод очищення шляхом продавлювання дисперсійного середовища разом із низькомолекулярними домішками через ультрафільтри. Ультрафільтрами є мембрани того ж типу, що і для діалізу.

Найпростіша установкадля очищення ультрафільтрацією показано на рис. 4 (дивись програму). У мішечок з ультрафільтра наливають золь, що очищається, або розчин ВМС. До попелу додають надлишкове порівняно з атмосферний тиск. Його можна створити або за допомогою зовнішнього джерела (балон зі стисненим повітрям, компресор тощо), або великим стовпом рідини. Дисперсійне середовище оновлюють, додаючи до золи чистий розчинник. Щоб швидкість очищення була достатньо високою, оновлення проводять якомога швидше. Це досягається застосуванням значних надлишкових тисків. Щоб мембрана могла витримати такі навантаження її наносять на механічну опору. Такою опорою служать сітки та пластинки з отворами, скляні та керамічні фільтри.

Мікрофільтрація.Мікрофільтрація називається відділення за допомогою фільтрів мікрочастинок розміром від 0,1 до 10 мкм. Продуктивність мікрофільтрату визначається пористістю та товщиною мембрани. Для оцінки пористості, тобто відношення площі пор до загальної площі фільтра, використовують різноманітні методи: продавлювання рідин і газів, вимірювання електричної провідності мембран, продавлювання систем, що містять калібровані частинки дисперсійної фази, та ін.

Мікропористі фільтри виготовляють з неорганічних речовин та полімерів. Спіканням порошків можна отримати мембрани з порцеляни, металів та сплавів. Полімерні мембрани для мікрофільтрування найчастіше виготовляють із целюлози та її похідних.

Електродіаліз.Очищення від електролітів можна прискорити, застосовуючи різниця потенціалів, що накладається ззовні. Такий метод очищення називається електродіаліз. Його використання для очищення різних системз біологічними об'єктами (розчини білків, сироватка крові та ін.) почалося в результаті успішних робіт Доре (1910). Пристрій найпростішого електродіалізатора показано на рис. 5(дивись програму). Очищуваний об'єкт (золь, розчин ВМС) поміщають у середню камеру 1, а дві бічні камери наливають середовище. У катодну 3 і анодну камери 5 іони проходять крізь пори в мембранах під дією прикладеного електричного напруги.

Електродіаліз найбільш доцільно очищати тоді, коли можна застосовувати високу електричну напругу. Найчастіше на стадії очищення системи містять багато розчинених солей, та його електрична провідність висока. Тому при високій напрузі може виділятися значна кількість теплоти і в системах з білками або іншими біологічними компонентами можуть відбутися незворотні зміни. Отже, електродіаліз раціонально використовувати як завершальний метод очищення, застосувавши попередньо діаліз.

Комбіновані методи очищення.Крім індивідуальних методів очищення – ультрафільтрації та електродіалізу – відома їх комбінація: електроультрафільтрація, що застосовується для очищення та поділу білків.

Очистити та одночасно підвищити концентрацію золю або розчину ВМС можна за допомогою методу, званого електродекантації.Метод запропонований В. Паулі. Електродекантація відбувається під час роботи електродіалізатора без перемішування. Частинки золя або макромолекули мають власний заряд і під дією електричного поля переміщуються в напрямку одного з електродів. Оскільки вони можуть пройти через мембрану, їх концентрація в одній з мембран зростає. Як правило, щільність часток відрізняється від густини середовища. Тому у місці концентрування золя щільність системи відрізняється від середнього значення (зазвичай зі зростанням концентрації зростає щільність). Концентрований золь стікає на дно електродіалізатора, і в камері виникає циркуляція, що триває до повного видалення частинок.

Колоїдні розчини та, зокрема, розчини ліофобних колоїдів, очищені та стабілізовані можуть, незважаючи на термодинамічну нестійкість, існувати невизначено тривалий час. Розчини червоного золю золота, приготовлені Фарадеєм, досі не зазнали жодних видимих змін. Ці дані дозволяють вважати, що колоїдні системи можуть бути в метастабільному рівновазі.

додаток

Список використаної літератури

1. С. С. Воюцький, Курс колоїдної хімії. Москва, видавництво "Хімія", 1976р.

2. В. Н. Захарченко, колоїдна хімія. Москва, видавництво «Вища школа», 1989р.

3. Д. А. Фрідріхсберг, Курс колоїдної хімії. Видавництво "Хімія", Ленінградське відділення, 1974р.

4. Ю. Г. Фролов, Курс колоїдної хімії. Поверхневі явища та дисперсні системи. Москва, видавництво "Хімія", 1982р.

5. Є. Д. Щукін, А. В. Перцев, Є. А. Амеліна, Колоїдна хімія. Москва, видавництво «Вища школа», 1992р.

Дисперсною називають систему, в якій одна речовина розподілена в середовищі іншої, причому між частинками та дисперсійним середовищем є межа розділу фаз. Дисперсні системи складаються з дисперсної фази та дисперсійного середовища.

Дисперсна фаза - це частки, розподілені серед. Її ознаки: дисперсність та уривчастість.

Дисперсійне середовище - матеріальне середовище, в якому знаходиться дисперсна фаза. Її ознака – безперервність.

Метод диспергування. Полягає в механічному дробленні твердих тіл до заданої дисперсності; диспергування ультразвуковими коливаннями; електричне диспергування під дією змінного та постійного струму. Для отримання дисперсних систем методом диспергування широко використовують механічні апарати: дробарки, млина, ступки, вальці, фарботерки, струшувачі. Рідини розпорошуються і розбризкуються за допомогою форсунок, дзиґів, дисків, що обертаються, центрифуг. Диспергування газів здійснюють головним чином за допомогою барботування через рідину. У пінополімерах, пінобетоні, піногіпсі гази отримують за допомогою речовин, що виділяють газ при підвищеній температуріабо у хімічних реакціях.

Незважаючи на широке застосуваннядиспергаційних методів, вони можуть бути застосовні для отримання дисперсних систем з розміром частинок -100 нм. Такі системи одержують кондесаційними методами.

В основі конденсаційних методів лежить процес утворення дисперсної фази з речовин, що перебувають у молекулярному чи іонному стані. Необхідна вимога при цьому методі – створення пересиченого розчину, з якого має бути отримана колоїдна система. Цього можна досягти за певних фізичних чи хімічних умов.

Фізичні методи конденсації:

1) охолодження пар рідин або твердих тіл при адіабатичному розширенні або змішуванні їх з великим обсягом повітря;

2) поступове видалення (випарювання) з розчину розчинника або заміна його іншим розчинником, в якому речовина, що диспергується, гірше розчиняється.

Так, до фізичної конденсації відноситься конденсація водяної пари на поверхні твердих або рідких частинок, що знаходяться в повітрі, іонів або заряджених молекул (туман, зміг).

Заміна розчинника призводить до утворення золю у тих випадках, коли до вихідного розчину додають іншу рідину, яка добре змішується з вихідним розчинником, але є поганим розчинником для розчиненої речовини.

Хімічні методи конденсації засновані на виконанні різних реакцій, внаслідок яких з пересиченого розчину беруть в облогу нерозчинену речовину.

В основі хімічної конденсації можуть лежати не тільки обмінні, а й окисно-відновні реакції, гідролізу тощо.

Дисперсні системи можна також одержати методом пептизації, який полягає у переведенні в колоїдний «розчин» опадів, частинки яких вже мають колоїдні розміри. Розрізняють такі види пептизації: пептизацію промиванням осаду; пептизацію поверхнево – активними речовинами; хімічну пептизацію.

З погляду термодинаміки, найвигіднішим є метод диспергування.

Методи очищення:

1. Діаліз – очищення золів від домішок за допомогою напівпроникних мембран, що омиваються чистим розчинником.

2. Електродіаліз - діаліз, прискорений за рахунок електричного поля.

3. Ультрафільтрація – очищення шляхом продавлювання дисперсійного середовища разом із низькомалекулярними домішками через напівпроникну мембрану (ультрафільтр).

Малекулярно-кінетичні та оптичні властивості дисперсних систем: броунівський рух, осмотичний тиск, дифузія, седиментаційна рівновага, седиментаційний аналіз, оптичні властивості дисперсних систем.

Всі молеклярно-кінетичні властивості обумовлені мимовільними рухом молекул і виявляються в броунівському русі, дифузії, осмосі, седиментауіонному рівновазі.

Броуновським називають безперервний, хоатичний, рівноймовірний для всіх напрямків рух дрібних частинок, зважених у рідині або газах, за рахунок впливу молекул дисперсійного середовища. Теорія броунівського руху виходить з уявлення про взаємодію випадкової сили, яка характеризує удари молекул, сили, яка залежить від часу, і сили тертя при русі частинок дисперсної фази в дисперсійному середовищі з певною швидкістю.

Крім поступального руху можливий і обертальний, характерний для двомірних частинок неправильної форми (ниток, волокон, пластівців). Броунівський рух найяскравіше виражено у високодисперсних систем, яке інтенсивність залежить від дисперсності.

Дифузія - мимовільне поширення речовини з області з більшою концентрацією в область меншою концентрацією. Розрізняють такі види:

1.)молекулярну

3) колоїдні частки.

Швидкість дифузії у газах найбільша, а твердих тілах – найменша.

Осмотичний тиск – це такий надлишковий тиск над розчином, який необхідний виключення перенесення розчинника через мембрану. ОД виникає при русі чистого розчинника у бік розчину або від більш розведеного розчину у бік більш концентрованого, а отже пов'язано з раністю концентрацією розчиненої речовини та розчинника. Осмотичний тиск дорівнює тому тиску, яке б виробляла дисперсна фаза (розчинена речовина), якби воно у вигляді газу при тій же температурі займала той же обсяг, що і колоїдна система (розчин).

Седиментація – це розшарування дисперсних систем під впливом сили тяжкості з відділенням дисперсної фази як осаду. Здатність дисперсних систем до седиментації є показником їхньої седиментаційної стійкості. Процеси розшарування застосовують тоді, коли потрібно виділити той чи інший компонент якогось компонента з якогось природного або штучно приготовленого продукту, що представляє собою гетерогенну рідинну систему. В одних випадках із системи вилучають цінний компонент, в інших видаляють небажані домішки. У громадському харчуванні процеси розшарування дисперсних систем потрібні, коли потрібно отримати прозорі напої, висвітлити бульйон, звільнити його від часток м'яса.

Поведінка променя світла, що на шляху частинки дисперсної фази, залежить від співвідношення довжини хвилі світла та розмірів частинок. Якщо розміри частинок більші за довжину світлової хвилі, то світло відбивається від поверхні частинок під певним кутом. Це спостерігається в суспензіях. Якщо розміри частинок менші за довжину світлової хвилі, то світло розсіюється.