Дисперсность

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Шкала дисперсности.

Удельная поверхность. Степень дисперсности. Классификация

дисперсных систем. Понятия: дисперсная фаза и дисперсионная

среда. Методы получения дисперсных систем

Дисперсной называют систему, в которой одно вещество распределено в среде другого, причем между частицами и дисперсионной средой есть граница раздела фаз. Дисперсные системы состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Дисперсная фаза — это частицы, распределенные в среде. Ее признаки: дисперсность и прерывистость (рис. 1.1.1. 1).

Дисперсионная среда — материальная среда, в которой находится дисперсная фаза. Ее признак — непрерывность.

Поверхность раздела фаз характеризуется раздробленностью и гетерогенностью. Раздробленность характеризуется:

1) степенью дисперсности:, [см-1; м-1], где ?S — суммарная межфазная поверхность или поверхность всех частиц дисперсной фазы; V — объем частиц дисперсной фазы.

2) дисперсностью — величиной, обратной минимальному размеру:

[; ];

3)удельной поверхностью:, [м2/кг; см2/г]; ??где m — масса частиц дисперсной фазы.

4) кривизной поверхности:. Для частицы неправильной формы ,

где r1 и r2 — радиусы окружностей при прохождении через поверхность и нормаль к ней в данной точке двух перпендикулярных плоскостей.

5) размером тела по трем осям, причем определяющим является размер по той оси, где он минимальный. В зависимости от размеров частиц они имеют свои исторические названия (см. рис. 1.1.1. 1).

Классификация дисперсных систем осуществляется по нескольким признакам (рис. 1.1.1. 2).

По дисперсности различают:

а) грубодисперсные системы, для них D < 103 [1/см] (рис. 1.1.1. 3);

б) микрогетерогенные системы, для них D = 103 — 105 [1/см];

в) ультрамикрогетерогенные системы, для них D = 105 — 107 [1/см].

По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Эта классификация была предложена Оствальдом (см. табл. 1.1.1. 1).

По структуре дисперсные системы различают:

свободные дисперсные системы, когда частицы обеих составляющих системы могут свободно перемещаться друг относительно друга (золь);

связанные дисперсные системы, когда одна из составляющих системы представляет собой структурированную систему, т. е. частицы фазы жестко связаны между собой (студень, композиты).

Таблица 1.1.1. 1

Классификация по агрегатному состоянию фаз

Агрегатное состояние дисперсной фазы

Агрегатное состояние дисперсион-ной среды

Условное обозначение фаза/среда

Название системы

Примеры

г

г

г/г

ж/г

тв/г

Аэрозоли

атмосфера Земли

ж

г

туман, слоистые облака

тв

г

дымы, пыли, перистые облака

г

ж

г/ж

Газовые эму-льсии, пены

газированная вода, мыльная и пивная пены

ж

ж

ж/ж

Эмульсии

молоко, масло сливочное, кремы и т. д.

тв

ж

тв/ж

Лиозоли, суспензии

лиофобные коллоидные растворы, суспензии, пасты, краски и т. д.

г

тв

г/тв

Твердые пены

пемза, пенопласт, активированный уголь, хлеб, пенобетон и т. д.

ж

тв

ж/тв

Твердые эмульсии

вода в парафине, минералы с жидкими включениями, пористые тела в жидкости

тв

тв

тв/тв

Твердые золи

сталь, чугун, цветные стекла, драгоценные камни

По межфазному взаимодействию — лиофильные и лиофобные системы (предложено Г. Фрейндлихом). Классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой.

Лиофильные системы — в них дисперсная фаза взаимодействует с дисперсионной средой и при определенных условиях способна в ней растворяться — растворы коллоидных ПАВ, растворы ВМС. Свободная энергия системы F < 0.

F = U — TdS; Sсмешения > 0;

U = Wког — Wсольв,

где Wког — работа когезии;

Wсольв — работа сольватации.

При U > 0, U < 0 TdS > U. Эта группа характеризуется малым значением поверхностного натяжения на границе раздела фаз.

Лиофобные системы — в них дисперсная фаза не способна взаимодействовать с дисперсионной средой и растворяться в ней. Для них F > 0. Диспергирование в этом случае совершается либо за счет внешней работы, либо за счет других процессов, идущих в системе спонтанно (химическая реакция) и характеризуется высоким значением поверхностного натяжения на границе раздела фаз, что соответствует малому значению энергии сольватации.

Существует две группы способов получения дисперсных систем:

Способы диспергирования заключаются в раздроблении тела до коллоидного состояния (мукомольное производство).

Способы конденсации заключаются в укрупнении частиц, атомов, молекул до частиц коллоидных размеров (химическая реакция с образованием осадка).

Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем

Все молекулярно-кинетические свойства вызваны хаотическим тепловым движением молекул дисперсионной среды, которое складывается из поступательного, вращательного и колебательного движения молекул.

Молекулы жидкой и газообразной дисперсионной среды находятся в постоянном движении и сталкиваются между собой. Среднее расстояние, проходимое молекулой до столкновения с соседней, называют средней длиной свободного пробега. Молекулы обладают различной кинетической энергией. При данной температуре среднее значение кинетической энергии молекул остается постоянным, составляя для одной молекулы и одного моля:

; ,

где m — масса одной молекулы;

M — масса одного моля;

v — скорость движения молекул;

k — константа Больцмана;

R — универсальная газовая постоянная.

Флуктуация значений кинетической энергии молекул дисперсионной среды (т.е. отклонение от среднего) и является причиной молекулярно-кинетических свойств.

Изучение молекулярно-кинетических свойств возможно в результате применения статистических методов исследования, действительных для систем, состоящих из множества элементов (молекул). Исходя из допущения о беспорядочности движения отдельных молекул, теория определяет наиболее вероятное сочетание для систем из множества объектов. Молекулярно-кинетические свойства проявляются в жидкой и газообразной среде, молекулы которых обладают определенно подвижностью.

Броуновское движение

Броуновским называют непрерывное, хаотическое, равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкостях или газах, за счет воздействия молекул дисперсионной среды.

Мельчайшие частицы незначительной массы испытывают неодинаковые удары со стороны молекул дисперсионной среды, возникает сила, движущая частицу, направление и импульс силы, непрерывно меняются, поэтому частица совершает хаотические движения.

Определили эти изменения и связали их с молекулярно-кинетическими свойствами среды в 1907 году А. Эйнштейн и М. Смолуховский. В основе расчета — не истинный путь частицы дисперсной фазы, а сдвиг частиц. Если путь частицы определяется ломаной линией, то сдвиг х характеризует изменение координат частицы за определенный отрезок времени. Средний сдвиг определяет среднеквадратичное смещение частицы:

,

где х1, х2, хi — сдвиг частиц за определенное время.

Теория броуновского движения исходит из представления о взаимодействии случайной силы f(), характеризующей удары молекул, силы F, зависящей от времени, и силы трения при движении частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде со скоростью v. Уравнение броуровского движения (уравнение Ланжевена) имеет вид:, где m — масса частицы; - коэффициент вязкости дисперсионной среды. Для больших промежутков времени (> >m/) инерцией частиц (m(dv/d) можно пренебречь. После интегрирования уравнения при условии, что среднее произведение импульсов случайной силы равно нулю, среднее значение флуктуации (средний сдвиг) равно:, где — время; r — радиус частиц дисперсной фазы; NA — число Авогадро частиц.

В этой формуле характеризует молекулярно-кинетические свойства дисперсионной среды, — ее вязкость, r — радиус частиц — параметр, относящийся к дисперсной фазе, а время определяет взаимодействие дисперсионной среды с дисперсной фазой.

Кроме поступательного, возможно вращательное броуновское движение для двухмерных частиц и частиц неправильной формы (нитей, волокон, хлопьев и т. д.).

Броуновское движение наиболее интенсивно проявляется в высокодисперсных системах (размеры частиц 10-9 10-7 м), несмотря на то, что молекулы дисперсионной среды действуют также и на частицы средне- и грубодисперсных систем. Но в связи со значительным размером частиц число ударов молекул резко увеличивается. По законам статистики, импульс действия сил со стороны молекул среды взаимно компенсируется, а значительная масса и инерция крупных частиц оставляет воздействие молекул без последствий.

Тема 1.1.2. Диффузия

Диффузией называют самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Различают следующие виды диффузии: молекулярную, ионную и коллоидных частиц.

Ионная диффузия связана с самопроизвольным перемещением ионов.

Диффузия высокодисперсных коллоидных частиц показана на рис. 1.1.2.1. В нижней части концентрация частиц больше, чем в верхней, т. е.

v1> v2 (где, м3 — численная

концентрация частиц, N — число частиц дисперсной фазы, Vд.с.  — объем дисперсной системы). Диффузия направлена из области с большей концентрации в область с меньшей концентрацией, т. е. снизу вверх (на рис. показано стрелкой). Диффузия характеризуется определенной скоростью перемещения вещества через поперечное сечение В, которая равна.

На расстоянии х разность концентраций составит v2 — v1, т к. v1> v2, эта величина отрицательна. Изменение концентрации, отнесенное к единице расстояния, называют градиентом концентрации или (в дифф. форме).

Скорость перемещения вещества пропорциональна градиенту концентрации и площади В, через которую происходит движение диффузионного потока, т. е.

; -

— основное уравнение диффузии в дифференциальной форме.

Скорость диффузии () величина положительная, а градиент концентрации — отрицателен.; поэтому перед правой частью уравнения — знак «минус». Коэффициент пропорциональности D — это коэффициент диффузии. Основное уравнение справедливо для всех видов диффузии, в т. ч. и для коллоидных частиц. В интегральной форме оно применимо для двух процессов — стационарного и нестационарного:

для стационарного процесса: =const. Значительное число диффузионных процессов близко к стационарным. Интегрируя, получим:

;

— -й закон диффузии Фика.

Физический смысл коэффициента диффузии D: если -=1, В = 1 и = 1, то m = D, т. е. коэффициент диффузии численно равен массе диффундирующего вещества, когда градиент концентрации, площадь сечения диффузионного потока и время равны единице. Равенство только численное, т.к. размерность коэффициента диффузии [м2/с] не соответствует размерности массы.

для нестационарного процесса: const. Тогда интегрирование основного уравнения с учетом изменения градиента концентрации усложняется. При отсутствии в среде градиентов температуры, давления, электрического потенциала из уравнения определим массу вещества m1, переносимого в результате диффузии в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса (В = 1 и = 1):, с учетом которого можно определить пространственно-временное распределение концентрации:

— второй закон Фика.

На рис. представлена одномерная диффузия, определяющая движение вещества в одном направлении. Возможна также двух- и трехмерная диффузия вещества (диффузия вещества в двух и трех направлениях), описываемая уравнением:, где I — вектор плотности диффузионного потока; grad v — градиент поля концентрации.

Для трехмерной диффузии, по второму закону Фика, запишем:.

Для двумерной диффузии в правой части уравнения ограничиваемся выражениями для х и y.

Значения коэффициента диффузии для видов её распределяются так: ионная — D = 10-8 м2/с; молекулярная — D = 10-9; коллоидных частиц — D = 10-10. Отсюда видно, что диффузия коллоидных частиц затруднена по сравнению с двумя другими видами. Так, скорость диффузии частиц карамели (дисперсная фаза — коллоидный раствор) в 100 — 1000 раз меньше скорости диффузии молекул сахара (молекулярный раствор). Соответственно в газах D увеличивается до 10-4, в твердых телах снижается до 10-12 м2/с.

Количественно диффузия определяется коэффициентом диффузии, связанным со средним сдвигом соотношением:; - продолжительность диффузии.

Диффузия высокодисперсных частиц совершается беспорядочно с большей вероятностью в сторону меньшей концентрации. При выводе соотношения приняты следующие допущения: частицы дисперсной фазы движутся независимо друг от друга, между ними отсутствует взаимодействие; средняя энергия поступательных движений частиц равна 0,5 kT.

Используя формулу определения среднего сдвига, коэффициент диффузии можно представить в виде: (k — константа Больцмана, равная). Если D известен, найдем размер частиц:

; чем больше размер частиц, тем меньше коэффициент диффузии, менее интенсивна сама диффузия.

Диффузия в полной мере проявляется у высокодисперсных систем (10-9 — 10-7 м), ослаблена у среднедисперсных (10-7 — 10-5 м) и практически отсутствует у грубодисперсных систем (> 10-5 м). Коэффициент диффузии зависит и от формы частиц, что не учтено в уравнении. Поэтому формула определяет размер только коллоидных шарообразных частиц (или приведенный к шарообразному размер частиц неправильной формы).

Тема 1.2.3. Осмотическое давление

При разделении двух растворов различной концентрации или раствора и чистого растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной) возникает поток растворителя от меньшей концентрации к большей, выравнивающей концентрацию. Этот процесс называется осмосом.

На схеме (рис. 1.2.3. 1) в сосуд с полупроницаемой перегородкой 3, помещен раствор 1. Перегородка пропускает дисперсионную среду (растворитель), но является препятствием для коллоидных частиц (растворенных веществ). Снаружи перегородки — чистый растворитель 2. Концентрация раствора по обе стороны перегородки различна. Внутри сосуда 1 часть раствора занимают молекулы растворенного вещества (частицы дисперсной фазы) концентрация растворителя там меньше, чем в емкости 2 с чистым растворителем.

За счет диффузии жидкость из области более высокой концентрации перемещается в область меньшей концентрации (из емкости 2 в сосуд 1). С кинетической точки зрения это обусловлено тем, что число ударов молекул о мембрану растворителя со стороны чистого или более разбавленного раствора больше, чем со стороны раствора, что и заставляет перемещаться растворитель через поры мембраны туда, где его меньше (т.е. в область раствора).

С термодинамической точки зрения, химический потенциал 2 чистой жидкости больше 1 растворителя в растворе, процесс самопроизвольно идет в сторону меньшего химического потенциала до их выравнивания: 2 = 1.

В результате перемещения жидкости в емкости 1 создается избыточное давление, называемое осмотическим. Растворитель, проникающий в область раствора 1, поднимает уровень жидкости на высоту Н, что компенсирует давление чистого растворителя в сторону раствора. Наступает момент, когда вес столба жидкости в области раствора уравнивается давлением растворителя.

Осмотическое давление — такое избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану. Осмотическое давление равно тому давлению, которое производила бы дисперсная фаза (растворенное вещество), если бы она в виде газа при той же температуре занимала тот же объем, что и коллоидная система (раствор)

Осмотическое давление достаточно разбавленных коллоидных растворов может быть найдено по уравнению:

или — уравнение Вант-Гоффа

где mобщ/m - масса растворенного вещества; m — масса одной частицы; V — объем частицы; NA — число Авогадро; Т — абсолютная температура; - частичная концентрация; k — постоянная Больцмана; М — масса одного моля растворенного вещества; с — массовая концентрация.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой