Министерство образования и науки Украины

Реферат

по теме

«Значение коллоидных систем и коллоидных процессов в природе»

Выполнила:

Дата ________ роспись________

Проверил :

Дата ________ роспись_________

Донецк 2008 г.

Содержание

Введение

1. Солнечная система и ее влияние на коллоидные явления

2. Коллоидные системы и метеорологические явления

3. Значение коллоидной химии

4. Связь коллоидной химии с биохимией и медициной

5. Оптическое свойство коллоидных систем

6. Явления при падении светового луча на коллоидную систему

7. Рассеяние света

8. Основные выводы о рассеянности света

Список используемой литературы

Введение

Коллоидные системы чрезвычайно широко распространены в природе. Огромное значение они имеют и в современной технике. Ниже приведены некоторые примеры, характеризующие роль коллоидных систем и коллоидных процессов в окружающем нас мире. Много других примеров, показывающих роль коллоидной химии в практической деятельности человека, будет еще приведено по ходу изложения информации.

Коллоидные системы и коллоидные явления наблюдаются далеко за пределами Земли. Как известно, межзвездная материя состоит главным образом из газов и пыли, причем с помощью наблюдений над поглощением света было показано, что размер пылинок, содержащихся в космическом пространстве, обычно не превышает 3-10-5 см, т. е. пылинки имеют типичные коллоидные размеры. Кометы, являющиеся газово-пылевыми облаками, представляют собою, таким образом, колоссальные коллоидные системы, а характерное свечение комет, возникающее в результате освещения мельчайших частиц лучами солнца, является не чем иным, как проявлением светорассеяния. Остается пока неясным, чем обусловлено длительное существование комет -- огромной разреженностью космического газово-пылевого облака и малой частотой встреч отдельных частиц друг с другом, или относительной агрегативной устойчивостью системы, определяющейся каким-нибудь фактором, например электрическим зарядом частиц, который может возникать вследствие адсорбции пылевыми частицами ионов. Как теперь установлено, в космическом пространстве содержатся большие количества ионов, образующихся в результате действия различных излучений на молекулы газов. Они играют высокую роль в природе и технике высокомолекулярных соединений, растворы которых обладают многими коллоидными свойствами

1. Солнечная система и ее влияние на коллоидные явления

Проблема создания солнечной системы, или, по крайней мере, проблема образования планет вокруг Солнца, также имеет прямое отношение к коллоидным явлениям, как отмечал еще Аррениус. По космогоническим представлениям Кейпера, Юри, В.Г. Фесенкова, солнечная система образовалась из газово-пылевого вещества. Согласно одной из теорий образования планет, развитой О. Ю. Шмидтом, планеты возникли из газово-пылевого облака, захваченного Солнцем. Известно, что в пространствах нашей Галактики существует множество таких облаков, и нет оснований считать, что окружавшее Солнце допланетное облако материи, каково бы ни было его происхождение, существенно отличалось по составу от галактических облаков.

Правильность своей теории О.Ю. Шмидт остроумно доказывает тем, что планеты имеют почти круговые орбиты. Планеты с такими орбитами могли образоваться только путем объединения большого числа тел, содержащихся в газово-пылевом облаке, двигавшихся до того по самостоятельным эллиптическим орбитам вокруг Солнца. О.Ю. Шмидт не рассматривал детально механизм объединения пылевых частиц, но можно думать, что при этом существенную роль играют те же факторы, что при слипании частиц аэрозолей. Безусловно, на процесс образования агрегатов должны влиять поверхностные силы, наличие у частиц электрического заряда и т. д. Картина, конечно, сильно усложняется тем, что газово-пылевое облако находится под интенсивным действием такого мощного фактора, как солнечное излучение во всех его видах.

2. Коллоидные системы и метеорологические явления

Коллоидные системы и процессы имеют огромное значение для метеорологических явлений, при образовании горных пород и минералов, в сельском хозяйстве.

Облака и туманы представляют собою коллоидные системы типа Ж/Г, причем очень часто их частицы несут электрический заряд. Дождь, грозовые разряды и другие метеорологические явления должны рассматриваться как явления, связанные с коллоидными процессами.

В настоящее время в результате всестороннего изучения свойств аэрозолей Б.В. Дерягиным, Н.А. Фуксом, И.В. Петряновым, А.Г. Амелиным и другими советскими учеными разработаны способы борьбы с пылями, дымами и туманами, а также способы искусственного вызывания осадков, что чрезвычайно важно для сельского хозяйства.

Образование дельт при впадении рек в море также является в значительной мере коллоидным процессом. В пресной воде рек обычно содержится огромное число взвешенных минеральных частиц с размерами, близкими к коллоидным. Эти частицы обладают Электрическим зарядом, как и большинство коллоидных частиц. При впадении рек в море в результате смешения речной воды с морской, содержащей значительное количество электролитов, взвешенные частицы теряют устойчивость, слипаются друг с другом и в виде агрегатов выпадают на дно, образуя отмели.

3. Значение коллоидной химии

Огромное значение имеет коллоидная химия в земледелии. Почва является сложнейшей коллоидной системой. Размер и форма частиц почвы, наряду с их природой, определяют водопроницаемость и поглотительную способность почвы, которые в свою очередь влияют на урожайность. Пески, обладающие невысокой дисперсностью, легко пропускают воду, высокодисперсные же глины, наоборот, хорошо удерживают влагу. Присутствие щелочей повышает дисперсность и гидрофильность почв. В противоположность этому соли кальция коагулируют почву и понижают ее гидрофильность. На этом основано известкование почвы, применяемое Для того, чтобы понизить способность почвы удерживать влагу. В последнее время широко применяются так называемые структурирующие агенты на основе некоторых полимеров, внесение которых в почву устраняет эрозию и придает почве желательные свойства.

В народном хозяйстве нет ни одной отрасли промышленности, которая в той или иной степени не имела бы дела с коллоидными системами и коллоидными процессами. Например, задачей металлурга является получение металла с оптимальной микро- и ультрамикроструктурой, что осуществляется введением в сплав определенных присадок. В металлообрабатывающей промышленности такие процессы, как закалка, отжиг и прокатка, также имеют целью изменение в нужном направлении микроструктуры металла.

Керамическое производство теснейшим образом связано с коллоидной химией, поскольку основное сырье этого производства -- глиняное тесто является концентрированной суспензией гидратированных силикатов алюминия. Существенно, что качество глины определяется более физическими свойствами ее частиц (размер, форма, состояние поверхности), нежели химическими свойствами.

Другое использование глин уже в качестве компонентов растворов, используемых при бурении, катализаторов, носителей катализаторов, осушителей и осветлителей различных жидкостей, начиная от вина и кончая продуктами нефтеперерабатывающей промышленности, разрабатывается на Украине Ф.Д. Овчаренко с сотрудниками. Весьма важны закономерности коллоидной химии при создании на базе минерального сырья новых строительных материалов. Фундаментальные исследования П.А. Ребиндера и его школы в области вяжущих средств привели к созданию конструкционных материалов, обладающих повышенной прочностью и рядом других ценных свойств.

С коллоидной химией связаны и производства, перерабатывающие органическое сырье. Например, технология получения бумаги включает процессы измельчения растительного волокна до высокой степени дисперсности, приготовление дисперсий различных проклеивающих агентов (канифоли, искусственных смол, каучука) и отложение на поверхности измельченного волокна в результате коагулирующего действия электролитов частиц этих дисперсий, что придает бумаге ряд ценных свойств.

Крашение волокна и дубление кожи является также примером технологий, где основную роль играют коллоидные процессы. Крашение и дубление заключается в диффузии коллоидных частиц красителя или дубителя в ткань или голье, в коагуляции этих частиц при соприкосновении с элементарными волоконцами и в фиксации скоагулированных частиц на элементарных волоконцах.

В производстве синтетического каучука, резины и пластмасс коллоидные процессы играют немаловажную роль. Так, эмульсионная полимеризация, в результате которой получают дисперсии синтетических каучуков (синтетические латексы), это процесс, протекающий в коллоидной системе. Резина и различные пластмассы обычно содержат мельчайшие частицы минеральных наполнителей, придающие им нужные свойства, и поэтому должны рассматриваться как коллоидные системы.

Основной операцией производства лаков и красок является измельчение пигментов в соответствующих средах до возможно более высокой степени дисперсности. Цвет и кроющая способность лаков или красок в большой степени зависят от размера частиц пигмента.

Многие основные операции в фармацевтической промышленности являются по существу коллоидными процессами Например, изготовление эмульсий, кремов, мазей сводится к диспергированию нужных веществ в подходящих средах. Некоторые лекарства применяются в коллоидной форме. Так, колларгол представляет собою тончайшую дисперсию препарата серебра. Введение в организм лекарства в коллоидной форме, во-первых, локализует его действие, а, во-вторых, увеличивает срок его действия на больной орган, так как такое вещество выводится из тканей организма гораздо медленнее, чем если бы оно было введено в виде обычного раствора. Вспомогательные операции в ряде производств очень часто представляют собою коллоидные процессы. Например, выделение воды из нефти на нефтеперерабатывающих заводах, разрушение эмульсий, образующихся в химических производствах при промывке того или иного жидкого продукта водой, приготовление различных эмульсий в текстильном, кожевенном и ряде других производств. Типичными коллоидными процессами являются водо-и газоочистка. Водоочистка сводится к коагуляции взвешенных в воде мельчайших частиц электролитами или к извлечению из воды примесей путем адсорбции. Один из современных способов газоочистки заключается в придании содержащимся в газе или дыме твердым или жидким частицам достаточно большого электрического заряда и затем в отложении заряженных частиц на противоположно заряженном электроде.

4. Связь коллоидной химии с биохимией и медициной

Стоит упомянуть, что организмы растений и животных состоят из растворов и студней высокомолекулярных веществ. Поэтому биохимия и медицина теснейшим образом связаны с коллоидной химией. Заметим также, что многие технологические процессы пищевой промышленности по существу являются коллоидными процессами. В хлебопекарной промышленности при приготовлении теста огромное значение имеют явления набухания, а при выпекании хлеба -- явления коагуляции. Приготовление маргарина, соусов и майонезов представляет собою не что иное, как процесс эмульгирования. В молочной промышленности получение простокваши и сыра является процессом коагуляции и синерезиса (явление, обратное набуханию). Наконец, засолка и варка мяса также сводятся к явлениям коагуляции или, точнее, денатурации белков.

5. Оптическое свойство коллоидных систем

Учение об оптических свойствах коллоидных и микрогетерогенных систем является одним из основных разделов коллоидной химии. Оптические свойства золя определяются свойствами коллоидных частиц, поэтому, изучая оптические свойства системы, можно установить размер, форму и строение частиц, не видимых в обычный микроскоп. С помощью ультрамикроскопических наблюдений коллоидных систем удалось проверить основные молекулярно-кинетические представления, долгое время носившие гипотетический характер; изучение оптических свойств способствовало количественному толкованию таких процессов, как диффузия, броуновское движение, седиментация, коагуляция. Наконец, ввиду того, что космическая пыль, туманы, облака и тончайшие взвеси твердых частиц в морской и речной водах являются коллоидными и микрогетерогенными системами, сведения об оптических свойствах этих систем имеют и весьма важное практическое приложение в астрофизике, метеорологии, оптике моря. Вождение самолетов и кораблей в тумане, фотографирование с помощью инфракрасных лучей также имеют непосредственное отношение к оптике коллоидных систем. Эта область науки сделала значительные успехи в последние годы в связи с развитием авиации, астронавтики и т. д.

6. Явления при падении светового луча на коллоидную систему

Нужным будет и описание главнейших явления и закономерностей, наблюдающихся при падении светового луча на коллоидную систему, где основное внимание уделено приложению этих закономерностей к решению практических задач коллоидной химии. При падении луча света на дисперсную систему могут наблюдаться следующие явления:

· прохождение света через систему;

· преломление света частицами дисперсной фазы;

· отражение света частицами дисперсной фазы;

· рассеяние света (это явление проявляется в виде опалесценции);

· абсорбция (поглощение) света дисперсной фазой с превращением световой энергии в тепловую.

Прохождение света характерно для прозрачных систем молекулярной или ионной степени дисперсности' (газы, большинство индивидуальных жидкостей и истинных растворов, аморфные и кристаллические тела). Преломление и отражение света всегда наблюдаются у микрогетерогенных систем и находят свое выражение в мутности относительно грубых суспензий и эмульсий и дымов, наблюдаемой как в проходящем (прямом), так и отраженном (боковом) свете. Для коллоидных систем наиболее характерны рассеяние (дифракция) и абсорбция света. Далее рассмотрены только эти два явления, так как первые три подробно изложены в курсе физики.

7. Рассеяние света

На опалесценцию, обусловленную светорассеянием, обратил внимание еще Фарадей (1857 г.), а затем Тиндаль (1869 г.), наблюдавший образование светящегося конуса при пропускании пучка света через коллоидный раствор.

Светорассеяние наблюдается только тогда, когда длина световой волны больше размера частицы дисперсной фазы. Если длина световой волны много меньше диаметра частицы, происходит отражение света, проявляющееся в мутности, заметной визуально. Следует отличать светорассеяние частицами, не проводящими и проводящими электрический ток. Рассмотрим сначала первый, более простой случай.

Рассеянный свет имеет ту особенность, что он распространяется во всех направлениях. Интенсивность рассеянного света в разных направлениях различна. Если частицы весьма малы по сравнению с длиной волны, больше всего света рассеивается под углом в О ц 180° к лучу, падающему на частицу. Если частицы сравнительно велики (но все же меньше длины световой волны), максимальное количество света рассеивается в направлении падающего луча (вперед). Кроме того, рассеянный свет обычно поляризован. При этом для малых частиц свет, рассеянный под углом -в 0 и 180°, не поляризован вовсе, а свет, рассеянный под углом 90°, поляризован полностью; для крупных частиц максимальная поляризация наблюдается при угле, отличном от 90°.

Картину рассеяния света удобно представлять в виде векторной диаграммы, предложенной Ми. Для получения такой диаграмме интенсивность неполяризованного и поляризованного света, выраженную в каких-либо единицах, откладывают в виде радиусов -- векторов во всех направлениях от точки, изображающей частицу, и концы векторов соединяют непрерывной линией. Внешние кривые на диаграммах соединяют концы радиусов -- векторов, отвечающих общей интенсивности рассеянного света; внутренние кривые ограничивают отрезки векторов, соответствующие интенсивности неполяризованного света. Таким образом, внешняя, заштрихованная часть диаграммы представляет собою поляризованную часть рассеянного света, а внутреняя, незаштрихованная -- неполяризованную часть света. Приведенные диаграммы относятся к рассеянию света сферическими частицами. "Позднее Ганс подробно рассмотрел явление рассеяния света несферическими частицами.

Для сферических частиц, не проводящих электрического тока, малых по сравнению с длиной волны падающего света и отстоящих друг от друга на достаточно большом расстоянии (разбавленная система).

Уравнение Рэлея применимо для частиц, размер которых составляет не более 0,1 длины световой волны, т. е. для частиц не больше 40--70 нм. Для частиц большего размера /р изменяется обратно пропорционально не четвертый, а меньшей степени %. Это, конечно, способствует увеличению светорассеяния. Геллёр детально исследовал зависимость показателя степени при % от размера частиц в основном на примере монодисперсных латексов полистирола, размер частиц которых определялся методом электронной микроскопии. В своих работах (1946 г.). Число частиц, содержащихся в 1 см3 коллоидной системы, называется «частичной» или «численной» концентрацией. Однако ввиду двусмысленности того термина («частичный» как противопоставление «полному») в дальнейшем лучше будем пользоваться термином «численная» концентрация.

Для золей различных полимеров показатель степени уменьшался от 4 до 2,8. Когда частицы становятся настолько велики, что их размер значительно превышает X, светорассеяние переходит в отражение света, не зависящее от длины световой волны.

При увеличении частиц больше определенного размера отражение света от частиц возрастает, что ведет к уменьшению интенсивности рассеянного света. Вместе с тем по мере уменьшения размера частиц, как следует из уравнения Рэлея, интенсивность светорассеяния также падает. Поэтому максимальным светорассеянием обладают коллоидные системы.

8. Основные выводы о рассеянности света

Из уравнения Рэлея можно сделать следующие выводы.

· Для частиц данного размера интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна концентрации золя. Это положение можно использовать для определения концентрации дисперсной фазы с помощью измерений светорассеяния золя. Однако следует учесть, что при очень больших концентрациях возникает многократное рассеяние и в уравнение Рэлея необходимо вводить соответствующие поправки.

· Интенсивность рассеянного света пропорциональна квадрату объема частицы или для сферических частиц шестой степени их радиуса. В рэлеевской области уменьшение размера частиц при сохранении весовой концентрации золя ведет к соответствующему уменьшению светорассеяния. При увеличении частиц до размера, значительно превышающего длину световой волны, светорассеяние, как было указано выше, переходит в отражение света и по мере увеличения частиц интенсивность рассеянного света уменьшается. Показано выраженное в условных единицах рассеяние света суспензией сульфата бария в зависимости от дисперсности системы (при постоянной весовой концентрации). Светорассеяние характеризуется начальной, восходящей частью кривой. Поскольку коллоидной степени дисперсности системы отвечает максимальное светорассеяние, становится понятным, почему наблюдение опалесценции является одним из чрезвычайно чувствительных методов обнаружения коллоидной природы системы

· При опалесценции под действием белого света при боковом освещении бесцветные коллоидные системы обнаруживают синеватую окраску. Поскольку величина /р обратно пропорциональна Я4, рассеиваются главным образом синеватые (короткие) волны. Наоборот, в проходящем свете эти коллоидные системы окрашены в красноватый цвет, так как при прохождении через коллоидный раствор из спектра в результате рассеяния выбывают лучи синего света. При освещении системы монохроматическим светом описанного явления/естественно, не наблюдается, так как при этом рассеянный свет может содержать только такую же волну, что и падающий. Следует заметить, что преимущественное рассеяние света с малой длиной волны объясняет цвет неба в различное время дня, а также цвет морской воды. Причина голубого цвета неба днем заключается в рассеивании коротких волн солнечного света атмосферой Земли. Абсолютное значение интенсивности света, рассеянного 1 см3 воздуха или воды, ничтожно, но оно становится заметным благодаря огромной толщине земной атмосферы и флуктуации газовых молекул. Оранжевый или красный цвет неба при восходе или заходе Солнца объясняется тем, что утром или вечером наблюдается, главным образом, свет, прошедший через атмосферу. На зависимости светорассеяния от длины световой волны основано также применение синего света для светомаскировки и красного света для сигнализации. Лампы синего света применяют, когда хотят, чтобы они остались незамеченными с самолетов, так как синие лучи при прохождении через достаточно толстый слой воздуха, особенно если в нем содержатся частицы пыли или тумана, полностью рассеиваются. Наоборот, когда хотят, чтобы свет не рассеивался и был заметен в тумане, применяют фонари, светящиеся красным светом.

· Опалесценция золей (особенно, металлических) интенсивнее, чем растворов высокомолекулярных соединений из-за большей плотности, а, следовательно, большего показателя преломления дисперсной фазы первых систем. Влияние соотношения показателей преломления дисперсной фазы и дисперсной среды на светорассеяние и мутность дисперсных систем очень удобно наблюдать на эмульсиях. Как известно, эмульсии обычно сильно мутны. Однако эмульсии глицерина в четыреххлористом углероде, стабилизованные олеатом натрия, прозрачны. Это объясняется тем, что показатели преломления глицерина и четыреххлористого углерода почти одинаковы и, следовательно, множитель в уравнении Рэлея, в который входят коэффициенты преломления, практически равен нулю, т. е. эмульсия глицерина в четыреххлористом углероде практически не рассеивает свет. Опалесценция истинных растворов весьма незначительна, так как вследствие малого объема частиц (молекул) выражение vv2 в числителе уравнения Рэлея очень невелико. Однако светорассеяние в этих случаях может наблюдаться при применении лучей с малой длиной волны, например рентгеновских лучей (длина волны рентгеновских лучей равна 0,04--0,6 нм). Индивидуальные жидкости и газы, о коэффициентах преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды которых говорить бессмысленно, казалось бы, не должны рассеивать свет. Однако они рассеивают свет из-за флуктуации плотности: в результате теплового движения молекул число их в том или ином 'микрообъеме системы может случайно увеличиваться на весьма малое время, при этом число молекул в другом микрообъеме уменьшается, что приводит к разности плотностей вещества в микро-объемах, а это, в свою очередь, обусловливает и разность в показателях преломления.

Для растворов помимо флуктуации плотности наблюдаются и флуктуации концентраций, которые, конечно, тоже могут являться причиной рассеяния света. Совершенно очевидно, что у коллоидных систем частицы дисперсной фазы формально также можно рассматривать как флуктуации концентрации с существованием, затянувшимся на неопределенно долгое время. Благодаря такой точке зрения возможен единый подход к объяснению светорассеяния индивидуальными жидкостями, истинными растворами и коллоидными системами и применение во всех случаях уравнения Рэлея. Все сказанное относилось к рассеянию света бесцветными коллоидными частицами, не проводящими электрического тока. При специфическом поглощении каких-нибудь лучей зависимость интенсивности светорассеяния от Я,4 и и2, согласно уравнению Рэлея, нарушается, меняется степень поляризации рассеянного света и т. д. В частице, проводящей электричество, электромагнитное поле световой волны индуцирует электродвижущую силу. В результате в проводнике возникает переменный электрический ток, как и в самом электромагнитном поле. Следствием этого является преобразование электрической энергии в тепловую. В таких условиях короткие электромагнитные волны (от 100 до 1000 нм) практически полностью поглощаются. Это свойство проводников, к которым относятся металлы, и является причиной их непрозрачности.

Список используемой литературы

1. «Курс коллоидной химии: Поверхностные явления и дисперсные системы» Фролов Ю.Г, 2003г.

2. «Коллоидная химия» Под редакцией И.И. Жуков, 2004г.

3. «Предмет, структура и методы физической химии» М.В. Ломоносова, 2006г.

4. «Коллоидная химия» Гельфман М.И., 2005г.