Размещено на http://www.allbest.ru/

1). Каково строение мицеллы? Напишите формулу мицеллы с положительно и отрицательно заряженной частицей

Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:

AgNO3 + KI --> AgI + KNO3

Коллоидная мицелла золя иодида серебра (см. рис. 1) образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag+ или иодид-ионов. Если реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет адсорбировать иодид-ионы; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag+. В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими, а сам заряженный кристалл - ядром мицеллы. Заряженное ядро притягивает из раствора ионы с противоположным зарядом - противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов адсорбируется на поверхности ядра, образуя т.н. адсорбционный слой противоионов; ядро вместе с адсорбированными на нем противоионами называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные противоионы, число которых определяется, исходя из правила электронейтральности мицеллы, составляют диффузный слой противоионов; противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции - десорбции.

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы - анионы I-, противоионы - ионы К+) может быть изображена следующим образом:

{[AgI]m · nI- · (n-x)K+}x- · x K+

При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд:

{[AgI]m · nAg+ · (n-x)NO3-}x+ · x NO3-

Рис. 1. Строение коллоидной мицеллы

2). Как можно защитить гидрозоль от электролитной коагуляции? Приведите примеры защитных веществ

Для предотвращения агрегации частиц и защиты гидрозолей от коагулирующего действия электролитов применяют высокомолекулярные соединения и коллоидные ПАВ, растворимые в воде, например, белки, мыла, крахмал, декстрин. Их стабилизирующее действие основано на образовании на поверхности частиц дисперсной фазы адсорбционных пленок и связано с уменьшением межфазного натяжения и со структурно-механическими свойствами поверхностных слоев.Защитная способность полимеров или ПАВ относительно выбранного золя характеризуется защитным числом S - количеством вещества, требуемого для стабилизации единицы объема золя. Защитное число S, как и порог коагуляции ск, определяют методом турбидиметрии. Защитное число S (г/л золя) вычисляют по уравнению

3). Изложите основные положения теории устойчивости и коагуляции коллоидных систем по Дерягину. Приведите потенциальные кривые устойчивой коллоидной системы и системы астабилизованной (координаты: энергия взаимодействия частиц-расстояние)

коллоидный мицелла раствор нитрат серебро

Теория коагуляции золей под действием электролитов (теория ДЛФО) строится на рассмотрении баланса молекулярных сил притяжения и сил ионно-электростатического отталкивания, действующих в узком зазоре, разделяющим частицы дисперсной фазы. Первые количественные расчеты были произведены Б.В.Дерягиным в конце 30-х гг. и затем завершены в работе Б.В.Дерягина и Л.Д.Ландау (1941 г.). Аналогичный подход к изучению устойчивости коллоидных систем независимо был развит в работах голландских исследователей Фервея и Оербека (1946 г.). По начальным буквам фамилий основных авторов теория получила название ДЛФО.

Основное упрощение теории ДЛФО состоит в том, что на частицы действуют две силы. Одна из них - взаимное притяжение частиц, создаваемое дисперсионными силами. Энергия дисперсионного притяжения, отнесенная к единице площади поверхности определяется выражением

(1)

где А* - сложная константа Гамакера, h - ширина зазора между частицами. Знак минут указывает на взаимное притяжение частиц. Вторая сила - ионно-электростатическое отталкивание, возникающее за счет перекрывания диффузных частей двойных электрических слоев, окружающих частицы. Энергия электростатического отталкивания на достаточно больших расстояниях определяется выражением

(2)

где n0 - концентрация электролита, k - постоянная Больцмана, Т - температура, ? - обратная эффективная толщина ионной атмосферы, г= th(zeц0/4kT) (ze - заряд ионов, ц0 - потенциал поверхности).

Полная энергия взаимодействия дисперсных частиц U представляет сумму энергий притяжения и отталкивания U=Umol +Uel(рис.2). Поскольку энергии притяжения и отталкивания имеют разные знаки и по-разному зависят от толщины разделяющей частицы жидкой пленки, зависимость суммарной энергии U(h) имеет сложный вид с минимумом на больших расстояниях и максимумом на средних. Кроме того, существует первичный, или ближний, минимум (обозначенный пунктиром на рис.1), связанный с возникновением на малых расстояниях сил отталкивания, не учтенных в теории ДЛФО. Вид зависимости U(h)показывает, что притяжение преобладает на больших и малых расстояниях, а на средних существует потенциальный барьер, препятствующий сближению частиц. Чем выше высота барьера, тем больше агрегативная устойчивость коллоидной системы.

Рис.2. Зависимость энергии взаимодействия от расстояния между частицами

Добавки электролита прежде всего влияют на электростатические силы отталкивания. При добавлении электролита происходит уменьшение толщины диффузного ионного слоя; на суммарной зависимости U(h) уменьшается величина потенциального барьера и происходит сдвиг положения максимума в сторону меньших толщин (кривая 2 на рис.3). При определенной концентрации электролита барьер полностью исчезает, что соответствует полной потере системой агрегативной устойчивости (кривая 3 рис.3). Происходит коагуляция.

Рис.3. Зависимость взаимодействия в пленке от концентрации электролита

Концентрация электролита, при которой исчезает барьер (U(h)=0) соответствует порогу коагуляции nc и определяется выражением

(3)

где k1?2•105 - безразмерный коэффициент, е - диэлектрическая протицаемость среды, е0 - диэлектрическая постоянная.

Различают случаи сильно- и слабозаряженных поверхностей. Энергия притяжения противоионов к сильнозаряженным поверхностям существенно превышает энергию теплового движения (zeц0>>4kT) , г>1 и nc ~ 1/(ze)6. Теория ДЛФО объяснила главные закономерности коагуляции гидрозолей электролитами и объединила на общей количественной основе имеющиеся ранее представления, относящиеся к различным частным случаям.

4). Что такое перезарядка поверхности? Какие ионы могут вызвать ее

Перезарядка поверхности - процесс взаимодействия положительных ионов с нейтральными атомами (молекулами) или поверхностью твёрдого тела, сопровождающийся обменом электронами между взаимодействующими частицами. Перезарядка поверхности в газах и жидкостях происходит по схеме А+ + B0 = A0 + В+. Если перезарядка поверхности не сопровождается изменением внутренней энергии системы взаимодействующих частиц, она называется резонансной. Таким процессом является, например, обмен электроном между атомарным ионом и атомом того же элемента (или же между молекулярным ионом и молекулой того же вещества). Вероятность перезарядки поверхности определяется родом частиц А и В и скоростью их относительного движения; она зависит от параметра aDE/hu (а -- размер ионизуемой частицы, DЕ -- изменение внутренней энергии, h -- постоянная Планка, u -- относительная скорость частиц). При уменьшении u сечение перезарядка поверхности сильно уменьшается для нерезонансной. Перезарядка поверхности (когда aDE/hu >> 1) и монотонно возрастает для резонансной. Типичный пример -- перезарядка протонов на атомарном и молекулярном водороде. Перезарядка поверхности вблизи поверхности металла (при захвате ионом электрона из металла) происходит аналогично. Особый вид перезарядки поверхности -- захват двух электронов с образованием отрицательного иона -- возможен для положительных атомарных или молекулярных ионов электроотрицательных газов. Возможна также резонансная перезарядка поверхности с образованием нейтрального атома (молекулы) не в основном, а в возбуждённом состоянии, когда электрон захватывается на один из свободных верхних уровней энергии.

5). Напишите Уравнение Эйнштейна для вязкости. Укажите границы его применимости

Вязкость растворов и коллоидных систем зависит от концетрации растворенного или диспергированного вещества, так как молекулы растворенного вещества или частицы дисперсной фазы оказывают дополнительное сопротивление течению.

Исходя из предложений, что частицы дисперсной фазы (или молекулы растворенног вещества) удалены друг от друга на достаточно большое расстояния, исключающие межмолекулярное воздействие, и представляет собой жесткие недеформируемые шарики и что размеры их велики по сравнению с размерами молекул среды или растворител, Эйнштеин вывел следующую формулу

з= з0(1+2,5ц)

Где з- вязкость коллоидной системы или раствора

з0- вязкость чистого растворителя или среды

ц-объемная концентрация золя или раствора.

Она устанавливает линейную зависисмость вязкости от концетрации. Как было подверждено эксперементально, вязкость дествительно линейно растет с ростом, концентрации раствора или коллоида; подчиняясь формуле Эйнштейна. Для растворов высокомолекулярных соединений формула Эйнштейна не применима, так как макромолекулы имеют не шарообразную а нетевидную форму и даже в разбавленных растворах взаимодействуют, образуя агрегаты, иммобилизирующие жидкость. Измеренная в опыте вязкость растворов высокополимеров оказывается всегда значительно выше вычисленной теоретически по формуле Эйнштейна, Кроме того, для вязкости с ростом концетрации раствора: она возрастает очень сильно, благодаря образованию сетки из макромолекул.

С повышением молекулярного веса увеличивается длина макромолекул, они становятся более гибкими. Гибкие цепи, изгибаясь и сворачиваясь, оказывают меньшее сопротивление потоку.

6). Каков механизм стабилизации эмульсий поверхностно- активными веществами, твердыми порошками? Приведите примеры

Вещество, препятствующее слиянию капель, называется стабилизатором. Часто в роли стабилизатора выступают эмульгаторы По предложению П.А. Ребиндера все стабилизаторы были разделены на две группы:

- стабилизаторы первого рода - поверхностно-активные вещества (эмульгаторы) и высокомолекулярные соединения;

- стабилизаторы второго рода - порошки.

Механизм получения устойчивых эмульсий со стабилизаторами первого и второго рода принципиально отличен. Однако существует и общий принцип выбора стабилизатора: необходимо, чтобы он имел сродство к дисперсионной среде - смачивался дисперсионной средой или растворялся в ней.

Стабилизаторы первого рода - поверхностно-активные вещества или высокомолекулярные соединения должны адсорбироваться на поверхности раздела фаз и обеспечивать структурно-механическую стабилизацию, т.е. на поверхности капелек должен возникать механически прочный гелеобразный адсорбционный слой. Схема капель эмульсии со стабилизирующим слоем ПАВ приведена на рис. 2.65.

Стабилизаторы второго рода - твердые порошки - должны смачиваться дисперсионной средой. Размер частичек твердого стабилизатора должен быть значительно меньше размера капель эмульгированной жидкости. П. А. Ребиндер назвал порошки «бронирующими стабилизаторами», так как частицы твердой фазы создают как бы броню на поверхности капельки, защищая ее от слияния с другими. Эта броня, по-видимому, не монослойна, а состоит из нескольких слоев.

Рис. 2.65. Схема капель эмульсии: а - прямая; б- обратная

7). Изложите способы определения ККМ в водных растворах коллоидных ПАВ