Презентация на тему Коллоидная химия

означает клееподобные тела (от греческого «æολλα» или латинского «colla»

- клей). Томас Грэм (1861г.).

Дата возникновения как самостоятельной науки 1906 год, в Лейпциге начал выходить журнал «Коллоидцайтшрифт»
(В.Ф. Оствальд).

Краткий исторический экскурс

Накопленный экспериментальный материал указывал на особые св-ва некоторых в-в и их р-ров: сами эти в-ва (желатина, крахмал, яичный белок) обладали клееподобными св-вами, не фильтровались в растворах через мембраны (пергаментную плёнку), а их р-ры рассеивали свет.

Т. Грэм выделил такие в-ва в особую группу в-в (коллоиды), в отличие от в-в первой группы - хорошо кристаллизирующихся и диффундирующих в р-рах через мембраны – (кристаллоиды).

дисперсность (проф. Н.П. Песков, 1917). Это послужило основой для

формирования современной коллоидной химии как науки о поверхностных явлениях и дисперсных системах.

В настоящее время коллоидная химия получила чрезвычайно широкое применение в самых различных областях человеческой деятельности.
Дисперсное состояние материи и поверхностные явления универсальны и многообразны, потому явления и объекты изучения коллоидной химии встречаются повсеместно.

Различные ДС ест. и искуст. происхождения широко исп-ся в разл. областях челов. деятельности и влияют на её существование, поэтому коллоидная химия носит общенаучный хар-р и служит научной основой многих произв. и технол. процессов.

химии (при очистке воздуха, природных и сточных вод). В

мировой промышленности используются более 500 тыс. различных химических соединений. Из них около 40 тыс. являются вредными для человека, а около 12 тыс. обладают токсическими свойствами. В результате промышленной деятельности человека создан широкий ряд таких новых химических веществ и отходов их производства, которые не имеют аналогов в природе и поэтому не могут уничтожаться естественным биологическим и биохимическим путем.
Основные процессы и явления, используемые для борьбы с загрязнением среды, в которой обитает человек, подробно изучаются в курсе коллоидной химии.

системах
Поверхностные явления – совокупность процессов, происходящих на поверхности раздела

соприкасающихся фаз и вызванных особыми свойствами межфазных поверхностных слоев.

Дисперсная система – гетерогенная система из двух или большего числа фаз, из которых одна (дисперсионная среда) непрерывна, а другая (дисперсная фаза) диспергирована (распределена) в ней в виде отдельных частиц (твёрдых, жидких или газообразных). При размере частиц 10-5см и меньше система называется коллоидной.

и величины поверхности раздела фаз пользуются понятиями дисперсность (раздробленность)

и удельная поверхность систем.

Удельная поверхность Sуд – это величина межфазной поверхности, приходящаяся на единицу объёма (или массы) дисперсной фазы:

или

где S12 – поверхность между фазами 1 и 2;
V1 – объём дисперсной фазы;
m1 – масса дисперсной фазы.

Дисперсность D – это колич. мера раздробленности системы, представляющая собой величину, обратную размеру (диаметру) дисперсной частицы α:

удельная поверхность, и наоборот.

от размера и дисперсности её частиц.
Sуд
D, см-1

(газ)
внутреннее давление
поверхностная энергия

§1. Основы термодинамики поверхностных явлений.
Поверхностная энергия

и поверхностное натяжение

пов-сть раздела фаз

поверхностное натяжение

1 (газ)
Фаза 2
жидкость или твёрдое тело
поверхностное натяжение
внутреннее давление
поверхностная энергия
Рис.

3. Действие основных сил на границе раздела двух разных фаз

равнодействующая сил ММВ направлена в сторону жидкости и стремится

втянуть поверхностную молекулу внутрь жидкости и уменьшить поверхность до минимума (капля жидкости стремится к сфере: поверхность шара – минимум объёма).
Внутреннее давление тем выше, чем полярнее вещество. У воды оно = 14800 атм, а у менее полярного бензола - 3800 атм. (Поэтому жидкости под действием обычных давлений практически несжимаемы.)
В физике – сила поверхностного натяжения (повер. натяжение), действующая тангенциально (касательно) пов-сти жидкости и на единицу длины контура границы раздела и обуславливающая сокращение поверхности жидкости.
Применительно к границе двух конденсированных фаз (ех., жидкость – жидкость или твёрдое тело – жидкость) применяют термин «межфазное натяжение», реже «пограничное натяжение».

з-н ТД). Стремление к снижению поверхностной энергии сопровождается самопроизвольным

ум-нием пов-сти раздела системы. Это означает, что самопроизвольное ув-ние пов-сти раздела фаз невозможно и требует совершения работы против сил внутреннего давления.
Эта работа W в обр. изотермических условиях при постоянстве состава пропорциональна площади образующейся новой поверхности s:

–dW = σds

где W – работа образования поверхности раздела, Дж;
σ – уд. свободная пов-ная энергия или пов-ное натяжение, Дж/м2;
s – площадь поверхности раздела, м2.

«минус», равна при p=const ув-нию энергии Гиббса ∆G>0 (изобарный

потенциал), а при V=const ув-нию энергии Гельмгольца ∆F>0 (изохорный потенциал) и наз-ся в общем случае свободной энергией.
При образовании новой поверхности – это свободная поверхностная энергия (отнесённая к единице поверхности – это удельная свободная поверхностная энергия «σ»).

1Дж/м2 = 1000эрг/см2 = 1Н/м = 1000дин/см = 1000мДж/м2

–W = ΔF = ΔG = σs

Количественно поверхностная энергия может быть получена из общего т.д. выражения для внутр. эн. системы U, например, в изохорных условиях при V=const:
U = F + TS
где U – внутренняя энергия, F – энергия Гельмгольца,
T – температура, S – энтропия.

замене S получим уравнение Гиббса – Гельмгольца для поверхностной

энергии:

Внутр. эн. U при обратимом изохорно-изотерм. увеличении площади пов-сти на единицу, ех., для однокомпонентной жидкости, равна полной поверхностной энергии этой единичной поверхности, а увеличение энергии Гельмгольца F равно её поверхностному натяжению σ, т.е. σ = F.
При замене получим уравнение Гиббса–Гельмгольца для процесса образования единичной поверхности:

уравнение для поверхности примет вид:
= свободная
+ связанная
полная внутр. (уд.)

поверхн. энергия

поверхн. энергия

TS = –Т(∂σ/∂Т)V > 0

эн. Гиббса или Гельмгольца или поверхн. натяжение

Скрытая теплота обр-ния пов-сти равна кол-ву теплоты, к-рое необходимо сообщить телу, чтобы при пост. т-ре увеличить его поверхность на единицу.

Поэтому всегда ε > σ.

ех, для воды –∂σ∕∂Т ≈ 0,1541 эрг/см2∙град.
Откуда для 1 см2 воды при 298К :
ε = 72,0+298∙0,1541 = 118 эрг.

видно, что с ростом температуры св. поверхн. энергия σ

уменьшается практически линейно, а скрытая теплота обр-ния пов-сти qs(ТS), наоборот, увеличивается.

В рез-те полная поверхностная энергия Us вдали от критической точки практически не зависит от температуры.
Ss и –∂σ∕∂Т от температуры также не зависят.
При приближении к критичес-кой т-ре Ткр плотности жидкости и пара сближаются, а при Ткр граница раздела фаз исчезает, и все энергетические характеристи-ки пов-сти становятся равными нулю.

явлений:
1 – условно физические явления, связанные с изменением формы

и величины поверхностей раздела (капиллярные явления, смачивание, трение, адгезия, слипание, слияние - коалесценция и др.).
2 – условно химические явления, в основе которых лежит адсорбционное изменение состава поверхностного слоя.

§ 2. Классификация поверхностных явлений

Стремление любой, особенно высокодисперсной, системы к уменьшению запаса поверхностной энергии σs и пути её реализации можно представить в виде следующей схемы:

вида явлений и усложняет их классификацию.
Ю.Г.Фролов предложил классифицировать

поверхностные явления на основе объединённого уравнения 1 и 2 начал ТД. Для любой гетерогенной системы его можно записать в виде:



где G – энергия Гиббса, S – энтропия, Т – температура; V – объём; р – давление; σ - поверхностное натяжение; s – площадь пов-сти; μί – химический потенциал компонента ί; nί – число моль компонента ί; φ – электрический потенциал; q – кол-во электричества.

Это уравнение выражает приращение энергии Гиббса системы через алгебраическую сумму приращений других видов энергии. Стрелки указывают на пять возможных процессов превращения поверхностной энергии: 1) в энергию Гиббса; 2) в теплоту; 3) в механическую энергию; 4) в химическую энергию; 5) в электрическую энергию.

более широкие возможности достижения минимума энергии.
адгезия и смачивание
капиллярность
адсорбция
изменение

реакционной способности с изменением дисперсности

электрические явления

природе преимущественно в составе дисперных систем, т.е.
многокомпонентных гетерофазных смесей

разл. агрегат. сост-я, состоящих из сплошной, непрерывной фазы (дисперсионной среды), и прерывистой дисперсной фазы в виде частиц различного размера, формы и агрегатного состояния).
Дисперсные системы в природе чрезвычайно распространены и многообразны. Например, земная атмосфера, природные воды, почва, грунты, различные изделия и материалы и др. относятся к Д.с.

§ 3. Классификация дисперсных систем.
размер частиц дисперсной фазы,
агрегатное состояние частиц д.ф. и д.с.;
форма частиц дисперсной фазы,
интенсивность межфазового взаимодействия,
наличие структурообразования между частицами д.ф.

системы
1нм 100нм
Рис.5. Зависимость Sуд системы от размера её частиц.
1)

Классификация дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы

В зависимости от степени дисперсности и особенностей поведения все дисперсные системы подразделяют на молекулярные, высокодисперсные и грубодисперсные.

Таблица 2.
Истинные р-ры – однородные смеси (гомогенные), в

к-рых ч-цами дисп. фазы являются отдельные мол-лы, атомы или ионы с размером не более 10-9 м (1нм). Такие ч-цы не имеют фазовой границы или собственной пов-сти раздела. Это качественное отличие. «Растворы».
В высоко- и грубодисперсных системах ч-цы дисп. фазы имеют более крупные размеры (10 – 100 нм), чем отдельные атомы и обладают собственной фазовой пов-стью. Они гетерогенны.
Высокодисперсные системы имеют качественные отличия и от р-ров и от грубодисперсных систем.

и д. фазы
Агрегатное состояние обозначают буквами:
Т – твёрдое

(кристаллическое), Ж – жидкость, Г – газ.
Дисперсионная среда – индекс 1, а дисперсная фаза – индекс 2.
Таблица 3.

* - В нормальных условиях гомогенны, гетерогенность возможна только при очень низких температурах или высоких давлениях.

Т1/Ж2

дисперсной фазы (или топология) может быть разнообразной. Наиболее удобный

способ классификации связан с делением на
а) линейные частицы, вытянутые в одном измерении;
б) плоские или пластинчатые, имеющие два измерения;
в) объёмные, когда ч-цы имеют все три пространственные измерения примерно в равной степени.

взаимодействием (например, когда поверхность твёрдых частиц смачивается жидкой дисперсионной

средой – лиофильность), и
б) с его отсутствием (например, когда поверхность твёрдых частиц не смачивается жидкой дисперсионной средой – лиофобность).

4). Классификация Д.С. по интенсивности межфазового. вз-я

Θ

Θ

а

б

частицами дисперсной фазы)
свободно-дисперсные системы
золь
связно-дисперсные системы
гель
рыхлая неупорядоченная структура

плотная упорядоченная структура

(от лат. gelate - замерзать)

нетекучая

(раствор)

Процесс структурообразования называют гелеобразованием (желатинированием, желатинизацией или студнеобразованием).

текучая

тела, которые наряду с внешней поверхностью характеризуются размером пор,

их объемом и внутренней поверхностью.
По М.М. Дубинину все пористые тела можно разделить на три класса (в зависимости от адсорбционных свойств):
микропористые тела с радиусом пор 2·10-9 м,
мезопористые (2 – 50) ·10-9 м,
макропористые 50·10-9 м.
В последнее время выделяют также ультра- и супер- микропоры. Любая классификация весьма приближенно отражает весь спектр возможных размеров пор (от макропор через мезопоры и микропоры до субатомных «пор» в виде промежутков между макрокристаллами в полимерах или точечных дефектов в кристаллах). В этой связи следует отметить, что любая классификация не может полностью охватить все многообразие дисперсных систем, существующих в природе и технологической практике..