Коллоидная химия

????????? ?? http://www.allbest.ru/

Коллоидная химия

Выполнил: студент группа 5253-11

Михеев Ю.О.

Содержание

Введение

1.Зависимость поверхностного натяжения от диэлектрической проницаемости жидкости, температуры, концентрации посторонних веществ

2.Молекулярные константы адсорбционного слоя ПАВ и методы их вычисления. Уравнение Фрейндлиха, определение его константы

3.Строение мицелл гидрофобных золей. Правило Фаянса-Понета

4.Моющие действия мыл. Солюбилизация

Введение

поверхностный натяжение мицелла

Современная коллоидная химия-это большая, самостоятельная часть химической науки, изучающая дисперсное состояние вещества и поверхностные явления в дисперсных системах. Курс коллоидной химии ставит целью дать четкое представление о теоретических и экспериментальных основах этой науки, выделяя ее особую роль как междисциплинарной науки, синтезирующей знания из смежных разделов химии, физики, биологии и других естественных наук.

Коллоидная химия исходит из представлений о дисперсности - микрогетерогенности как универсальном состоянии вещества во всех природных объектах и технологических системах. Таковы горные породы и почвы, ткани живых организмов, таковы всевозможные материалы, суспензии, эмульсии, пены, аэрозоли, построенные из малых (очень малых, до нанометров) частиц: зерен, клеток, волокон, пленок, которые сохраняют еще, однако, свойства данной фазы и границы раздела с соседними фазами. Высокая развитость межфазных поверхностей - носителей энергетических избытков (т.е. специфического, активированного состояния вещества)- служит общей чертой всех этих объектов и систем и определяет различные их свойства и протекающие в них процессы. Особое место занимает здесь адсорбция - самопроизвольное концентрирование определенных, поверхностно-активных компонентов на межфазных границах, меняющее химическую природу границ и позволяющее управлять процессами в природных и технологических дисперсных системах.

Развивая эти представления, коллоидная химия последовательно рассматривает строение межфазных границ в дисперсных системах, закономерности и механизмы физико-химических процессов на этих границах; условия образования новых дисперсных фаз и их свойства (специфические - коллоидно-химические свойства и "неспецифические - общие и для коллоидно-дисперсных, и для молекулярно-дисперсных систем); общие закономерности устойчивости дисперсных систем, принципы и методы их стабилизации и дестабилизации и их приложение к конкретным дисперсным системам с различными твердыми, жидкими и газоообразными фазами; взаимодействие частиц и структурообразование в дисперсных системах - как введение в новую главу коллоидной химии - физико-химическую механику.

Широта концепций, объектов, проблем, методов коллоидной химии обусловливает ее участие в развитии других химических наук, а также геологии, метеорологии, биологии, медицине. Вместе с тем, раскрываются роль и перспективы коллоидной химии как общей научной основы интенсификации и оптимизации технологических процессов с участием дисперсных фаз буквально во всех отраслях производства: химической, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей, горнорудной, металлургической, легкой, пищевой, фармацевтической промышленности; объясняются механизмы природных коллоидно-химических явлений и регулирование воздействий на природные объекты (структурообразование в почвах и грунтах, коллоидно-химические аспекты функционирования клеточных структур);рассматриваются коренные проблемы защиты окружающей среды.

1.Зависимость поверхностного натяжения от диэлектрической проницаемости жидкости, температуры, концентрации посторонних веществ

Сила поверхностного натяжения также зависит от давления пара над жидкостью: чем больше пара, тем меньше величина внутреннего давления жидкости. Если жидкость граничит с воздухом, то молекулы ее поверхностного слоя почти не подвергаются силам притяжения со стороны газообразной фазы. В тех случаях, когда давление пара над жидкостью возрастает, ее поверхностное натяжение будет меньшим. Таким образом, молекулы поверхностного слоя не уравновешены, а поэтому система на поверхности раздела фаз всегда имеет определенный излишек свободной энергии.

При всех других одинаковых условиях этот излишек тем больше, чем большая поверхность. Согласно второму закону термодинамики, система стремится уменьшить внутреннюю энергию. Поэтому процесс уменьшения поверхности раздела является процессом самостоятельным. Именно поэтому жидкость, на которую не действуют никакие силы, образует форму шара, поскольку такая форма при определенном объеме имеет наименьшую поверхность. На величину поверхностного натяжения влияет и величина углеводородного радикала вещества.

Так, если взять несколько карбоновых кислот одного и того же гомологического ряда (НСООН,СН3СООН, С2Н5СООН, С3Н7СООН), то поверхностное натяжение их уменьшается по мере удлинения карбоновой цепи - в 3,2 раза на каждую группу СН2. Наличие примесей различных веществ в жидкостях влияет на величину поверхностного натяжения.

Многие вещества, главным образом органические, понижают поверхностное натяжение. Такие соединения называются поверхностно-активными (белки, желчные кислоты, мыла, спирты, альдегиды, сложные эфиры, кетоны, танниды и др.). Вещества, наличие которых существенно не влияет на поверхностное натяжение, называются поверхностно-инактивными (фруктоза, глюкоза, крахмал и др.).

2.Молекулярные константы адсорбционного слоя ПАВ и методы их вычисления. Уравнение Фрейндлиха, определение его константы

Солюбилизация олеофильных веществ, содержащих полярные группы (дли-нноцепочечные спирты, амины), происходит путем внедрения их молекул в поверхностный слой мицелл

При этом в зависимости от природы солюбилизата различают два типа его локализации: а) глубокое проникновение в наружный слой мицелл (в молекулах солюбилизата преобладают олеофильные свойства); б) слабое проникновение в наружный слой (вещества гидрофильного характера).

Понижение степени дисперсности мицеллярного раствора под влиянием электролитов уменьшает суммарную площадь поверхностного слоя мицелл, в котором происходит локализация полярных молекул, что влечет за собой уменьшение солюбилизирующей способности по отношению к олеофильным веществам полярного характера.

Поскольку формирование адсорбционного слоя протекает во времени, в случае мицеллообразующих (и особенно высокомолекулярных) ПАВ измеряемое значение а зависит от скорости образования новой поверхности.

Следует отметить, что упомянутые выше статические методы также дают неравновесные (динамические) значения 0, если время существования поверхности к моменту отсчета меньше, чем необходимое для формирования равновесного адсорбционного слоя.

В самопроизвольном процессе адсорбции происходит перенос растворенного вещества из объема раствора в поверхностный слой, что приводит к убыли энергии Гиббса (изменение изобарно-изотермического потенциала отрицательно: AG<0).

Работа адсорбции -- это работа, которую совершает система при обратимом изотермическом процессе переноса растворенного вещества из объема раствора в поверхностный слой.

Адсорбция газов и жидкостей на поверхности твердого тела описывается также уравнением Фрейндлиха, которое имеет следующий вид:

где р - равновесное давление;

с - равновесная концентрация;

b и - константы.

На изотерме Фрейндлиха нет зоны насыщения. Уравнение применимо только для малых и средних концентраций, в области высоких концентраций и давлений ононе применимо.

Рис. Изотерма адсорбции Фрейндлиха

Для адсорбции из растворов уравнение Фрейндлиха как правило имеет такой вид:

где С - равновесная концентрация, моль/л.

В последнем уравнении константа в обычно колеблется в широких пределах. Физический смысл константы становится ясен, когда примем С=1 моль/л. Тогда константа в представляет величину адсорбции при равновесной концентрации адсорбтива, равной 1 моль/л. Показатель 1/n - правильная дробь, характеризует степень приближения изотермы к прямой. С повышением температуры величина коэффициента в должна падать, а 1/n - возрастать.

Константы уравнения Фрейндлиха легко находятся графическим способом после его логарифмирования:

На графике, построенном в координатах lgГ =f(lgC), отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, равен lgв, а тангенс угла наклона б прямой к оси абсцисс равен 1/n.

Уравнение Фрейндлиха является эмпирическим уравнением. Кроме того это уравнение, представляющее собой уравнение параболы, не может дать прямолинейного нарастания адсорбции от равновесной концентрации, а также предельного значения адсорбции, не зависящего от концентрации. Очевидно, что прямолинейный участок (с малыми с и р) может быть получен с помощью уравнения Фрейндлиха если 1/n принять равным 1. Точно также прямолинейный участок, отвечающий высоким давлениям или концентрациям, может быть получен, если принять 1/n =0. Таким образом, коэффициент 1/n по существу должен являться сам функцией р или с. Поскольку коэффициент 1/n принимается как const, считают, что он изменяется в пределах 0,2 - 1 для адсорбции из газовой среды и 0,1 - 0,5 для адсорбции из растворов.

Логарифмическая форма изотермы адсорбции Фрейндлиха

Опытные данные показывают, что в области малых и средних концентраций и давлений уравнение Фрейндлиха иногда применять удобнее, чем уравнение Ленгмюра. Поэтому его часто используют для практических целей.

3.Строение мицелл гидрофобных золей. Правило Фаянса-Понета

Дисперсная фаза и прилегающий двойной электрический слой составляют мицеллу гидрофобного золя (micella - уменьшительное от лат. mica - крошка, крупица).

Основу мицеллы составляет агрегат, состоящий из большого числа частиц нерастворимого в воде вещества и имеющий кристаллическое строение. Комбинация агрегата с потенциалопределяющими ионами - ядро мицеллы. Ядро имеет заряд, знак и величина которого определяются природой и количеством потенциалопределяющих ионов. Вокруг ядра концентрируются противоионы. Ядро совместно с адсорбционным слоем противоионов образует частицу, которая окружена диффузным слоем.

Рассмотрим строение мицеллы на примере гидрофобного золя иодида серебра, полученного в результате реакции

AgNO3 + KI = AgI + KNO3.

При смешении AgNO3 и KI в эквимолярном соотношении AgI выпадает в осадок.

Устойчивый золь можно получить при соблюдении двух условий:

1) растворы реагентов должны быть разбавленными;

2) одно из реагирующих веществ берется в избытке; вещество, взятое в избытке, является стабилизатором золя.

На рис. представлена схема мицеллы отрицательного золя иодида серебра, стабилизированного KI.

Агрегат мицеллы образуют кристаллики AgI размером 10-9-10-7 м. Потенциалопределяющими ионами являются ионы I-, противоионами - ионы K+. Если в избытке берется AgNO3, получается положительный золь, в котором потенциалопределяющими ионами являются ионы Ag+, противоионами - NO3-.

Разумеется, мицелла не имеет строго определенного состава. Тем не менее, ее состав можно представить условной формулой. Для положительного золя иодида серебра формула мицеллы имеет вид

???. ???????? мицеллы отрицательного золя иодида серебра, ??? m - ?????????? ??????, ???????? ? ?????? ????????, n - ?????????? ????????????????????? ?????, x - количество противоионов в диффузионном слое.

Число противоионов, входящих в адсорбционный слой, определяется из условия электронейтральности мицеллы.

Правило Фаянса--Панета -- правило, эмпирически установленное К.Фаянсом и Ф.Панетом (1913), согласно которому радиоактивный изотоп, присутствующий в растворе в микроконцентрациях в форме катиона, тем сильнее сорбируется выпадающим или заранее полученным осадком, чем меньше растворимость соединения, которое образует этот катион с анионом осадка. Правило Фаянса -- Панета применимо при соосаждении в радиохимии.

Иная формулировка этого правила (также называемая правилом Фаянса -- Пескова -- Панета) гласит о том, что на поверхности твердого вещества преимущественно адсорбируются ионы, которые могут достраивать кристаллическую решетку, то есть входят в ее состав, изоморфны или образуют труднорастворимое соединение с ионами, составляющими кристаллическую решетку. Эта формулировка применяется для определении знака заряда поверхности при образовании ДЭС в коллоидной химии.

4.Моющие действия мыл. Солюбилизация

Одной из характерных особенностей водных растворов ПАВ при концентрациях выше ККМ является их способность к солюбилизации.

Солюбилизация - это коллоидное растворение в ядрах мицелл в растворах ПАВ практически нерастворимых в воде гидрофобных органических соединений, например, углеводородов, красителей, жиров.

В водных растворах способ включения молекул растворенного вещества - солюбилизата в мицеллы зависит от природы вещества. Неполярные углеводороды, растворяясь в мицеллярной фазе, располагаются внутри углеводородного ядра мицеллы. Полярные органические соединения (спирты, амины, кислоты) встраиваются между молекулами ПАВ так, что их полярные группы обращены к воде, а гидрофобные части ориентируются параллельно углеводородным радикалам. При солюбилизации неполярных углеводородов во внутренней части мицелл углеводородные цепи раздвигаются, размер мицелл увеличивается.

Моющее действие ПАВ заключается в следующем: гидрофобная часть иона ПАВ проникает в гидрофобное загрязняющее вещество (жир), в результате поверхность каждой частицы или капельки загрязнения оказывается как бы окружённой оболочкой гидрофильных групп. Они взаимодействуют с полярными молекулами воды («подобное растворяется в подобном»), что обуславливает возникновение расклинивающего давления ПАВ. Благодаря этому адсорбционная плёнка на поверхности частиц загрязнения придаёт этим частицам высокую агрегативную устойчивость и предупреждает их прилипание к поверхности ткани в другом месте, ионы моющего средства вместе с загрязнением отрываются от поверхности ткани и переходят в водную среду. Частицы загрязнения вследствие пониженной способности к смачиванию прилипают к пузырькам воздуха пены мыла. Пена содействует механическому уносу загрязнений или их флотации.

Явление солюбилизации имеет широкое практическое применение, в частности, в интенсивно развивающихся новых технологиях и методах, таких как мицеллярный и ферментативный катализ, нефтедобыча, тонкие биотехнологии, значение которых трудно переоценить в настоящее время. Важную роль явление солюбилизации играет в технологии смазывающих материалов и охлаждающих жидкостей, применяющихся при холодной обработке металлов. Солюбилизация находит применение и в сельском хозяйстве - активность многих ядохимикатов, применяемых в борьбе с вредителями, значительно возрастает, если их перед распылением перевести в солюбилизированное состояние добавкой соответствующего ПАВ. Солюбилизация находит широкое применение и в биологии, так как химическая структура белковых веществ напоминает структуру мицелл ПАВ. Белки, как и ПАВ, обладают способностью к солюбилизации труднорастворимых веществ. Циркулируя в живом организме, белки (например, белки крови) становятся тем самым переносчиками разных жизненно важных соединений. Таким образом, солюбилизация является важным фактором в обмене веществ.

????????? ?? Allbest.ru