Механические свойства дисперсных систем. Раздел «Структурно - механические свойства дисперсных систем. Коллоидные поверхностно–активные вещества

Интернет банкинг

III. Раздел «Структурно - механические свойства дисперсных систем»

1. Структурирование в коллоидных и полимерных системах. Гели и студни. Их свойства, механизм образования и практическое значение. Тиксотропия и синтерезис

Согласно А.И. Рабинерсону и Г.И. Фуксу, структуры, образующиеся в высокодисперсных системах, можно классифицировать по их плотности:

1. Пространственные - структуры характерны для дисперсных систем с анизодиаметрическими частицами;

2. Компактные - структуры часто возникают в системах с изодиаметрическими частицами.

При истинной коагуляции, когда частицы полностью теряют фактор устойчивости, они слипаются друг с другом, образуя компонентные агрегаты. Достигнув определенного размера, эти агрегаты образуют плотный коагулят. Если же происходит неполная астабилизация системы, то фактор устойчивости будет снят только с некоторых участков поверхности частиц, да ито не полностью, и в результате этого частицы, слипаясь по таким местам, образуют пространственную сетку, в петлях которой находится дисперсная среда. Происходит гелеобразование.

Гелеобразованием называют переход коллоидного раствора из свободнодисперсного состояния (золя) в связомодисперсионное состояние (гель).

На гелеобразование влияет ряд факторов:

· концентрация дисперсной среды;

· уменьшение размера частиц;

· температура;

· механическое воздействие.

Аналогичный переход раствора ВМС в студень называется застудневанием. Оно может происходить спонтанно, в результате изменения температуры при концентрировании раствора или при добавлении к нему не слишком большого количества электролита.

Студни обладают такими свойствами как вязкость, осмотическое давление, эластичность, текучесть, особенность рассеивать свет, тиксотропные свойства, синтерезис.

Тиксотропия - способность структур после их разрушения в результате какого-нибудь механического воздействия самопроизвольно восстанавливаться во времени.

Синтерезис - самопроизвольное уменьшение размеров геля с одновременным выделением из него дисперсной среды, содержащейся в петлях геля.

Студни и процесс застудневания имеют большое значение в медицине, биологии, техники, хлебопекарной промышленности. Образование клеевого слоя при склеивании, желатировании пироксилина, получение искусственного волокна, дубление кожи.

2. Коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные структуры по П.А. Ребиндеру

Согласно Ребиндеру, структуры в коллоидных и микрогетерогенных системах можно разделить на:

· коагуляционные (тиксотропно-обратимые) - структуры, возникающие в результате понижения агрегативной устойчивости дисперсных систем, когда частицы полностью теряют фактор устойчивости, они слипаются друг с другом, образуя компактные агрегаты.

· конденсационно-кристаллизационные (необратимые - разрушаюшиеся структуры) - связи между частицами образованы за счет химических сил. Эти структуры возникают либо в результате образования прочных химических связей между частицами, либо вследствие сращивания кристалликов в процессе выкристаллизовывания новой фазы.

3 Нормальные ньютоновские жидкости, структурированные жидкости. Вязкость. Аномалия вязкости. Уравнение Ньютона, Пуазейля, Бингама. Реологические зависимости. Уравнения Эйнштейна для определения вязкости коллоидных систем

Жидкообразные тела классифицируют на:

1. ньютоновские жидкости - системы, вязкость которых не зависит от напряжения сдвига и является постоянной величиной в соответствии с законом Ньютона;

2. структурированные - течение которых не следует закону Ньютона, их вязкость зависит от напряжения сдвига;

2.1 стационарные - реологические свойства которых не изменяются со временем;

2.2 нестационарные - для которых эти характеристики зависят от времени.

Вязкость - способность жидкого вещества оказывать сопротивление движению. В жидкостях вязкость обусловлена внутренним давлением и с повышением температуры вязкость понижается. В газах вязкость обусловлена тепловым движением молекул, с повышением температуры вязкость возрастает.

Коэффициент вязкости представляет собой силу сопротивления, которая возникает между слоями текучего тела с поверхностями площадью и удаленными друг от друга на расстояние при перемещении их относительно друг друга со скоростью.

Динамическая вязкость

Свойства вещества, противоположные вязкости, называется текучестью, а величину противоположная коэффициенту вязкости коэффициент вязкости.

Кинематическая вязкость учитывает плотность вещества и связана с динамической вязкостью:

Жидкости способные течь, но не подчиняющиеся закону Ньютона, принято называть аномальными.

По определению вязкости, данному Ньютоном, сила внутреннего трения, равная по значению, но обратная по направлению приложенной извне силе, пропорциональная площади слоя, к которому приложена эта сила, и градиенту скорости движения между слоями:

Относя силу к площади, тогда уравнение будет выглядеть так:

где - напряжение сдвига, поддерживающее течение жидкости.

Ламинарное течение жидкости по трубкам описывается уравнением Пуазейля:

где - объемная скорость истечения;

Радиус и длина трубки;

Разность давлений на концах трубки;

Вязкость жидкости.

Бингам выразил пластическую вязкость уравнением:

где - угол, образуемый прямой с осью абцисс.

Однако для большинства структурированных коллоидных систем зависимость от выражается не прямой, а кривой.

Причина такого явления заключается в том, что при достижении предела текучести структура разрушается не сразу, а постепенно по мере увеличения градиента скорости жидкости.

Различают три критических напряжения сдвига:

1. - первый, или минимальный, предел текучести, соответствующий началу течения.

2. - предел текучести по Бингаму, отвечающий отрезку на оси абсцисс, отсекаемому продолжением прямолинейного участка кривой.

3. - максимальный предел текучести, соответствующий значению, при которой кривая переходит в прямую линию.

Первая аксиома реологии: при всестороннем равномерном сжатии материальные системы ведут себя одинаково - как идеальные упругие тела.

Вторая аксиома реологии: любая материальная система обладает всеми реологическими свойствами.

Эйнштейном была установлена связь между вязкостью дисперсной системы и объемной долей дисперсной фазы:

где - вязкость дисперсной среды.

Была установлено, что коэффициент при зависит от формы частиц, поэтому уравнению Эйнштейна можно придать более общий вид:

где - коэффициент, зависящий от формы частицы дисперсной фазы.

Для относительной и удельной вязкости дисперсной системы уравнение Эйнштейна переходит в следующие соотношения:

Далеко не все вещества растворимы друг в друге, т. е. образуют истинные растворы. Конечно, можно искусственно измельчить одно вещество и распределить его в объеме другого, но в любом случае такая система будет гетерогенной. Например...

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию. Особенности каждой системы

По размеру частиц дисперсной фазы различают грубодисперсные системы (взвеси) с размером частиц более 500 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоиды) с размерами частиц от 1 до 500 нм...

Коллоидная химия

1. Молекулярно - кинетические свойства коллоидов. Броуновское движение Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем и растворов ВМС, как и газов, и молекулярных или ионных растворов, обнаруживаются в таких явлениях...

Коллоидная химия

1. Оптические свойства коллоидных систем. Опалесценция и флуоресценция Прохождение света через коллоидную систему вызывает три оптических эффекта: поглощение, отражение и рассеивание лучей. Поглощение свойственно всем системам...

Коллоидная химия

1. Суспензии. Способы получения и стабилизации. Особенности суспензий и их применение Суспензии - системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой, размеры частиц которых превышают коллоидные размеры...

Коллоидные системы в организме и их функции

Типы и свойства коллоидных систем. Физические свойства коллоидной дисперсной системы зависят от соответствующих свойств фаз, составляющих коллоидную систему. Например...

Никель и его соединения

Атомная масса 58,71. Плотность при 20ОС, г/см3 ? 8, 9. Температура, ОС: - плавления - 1453. - кипения - 2140. Скрытая теплота, кал/г: - плавления - 73. - испарения - 1450. Удельное электросопротивление при 20o С, Ом. мм2/м? 0, 068. Модуль нормальной упругости...

Производство 1,2-дихлорэтана

Свойства алюминия и области применения в промышленности и быту

В последующие годы благодаря сравнительной простоте получения и привлекательным свойствам опубликовано много работ о свойствах алюминия...

Способы смешения полимеров

На рисунке 4 представлены типичные зависимости прочности и относительного удлинения при разрыве от состава полимерной композиции...

Физико-химические методы исследования нефтяного шлама

Механические примеси содержатся в сырой нефти в виде песка, глинистых минералов и различных солей, которые находятся во взвешенном состоянии...

Физические свойства полимеров

Релаксационные свойства кристаллических полимеров ярко проявляются в кинетических особенностях процесса их кристаллизации: 1...

Химическая характеристика природных вод - объектов эколого-аналитического контроля

Рисунок 1 природный вода атмосфера гидролиз Объектом эколого-аналитического контроля являются воды - пресные, поверхностные, подземные, морские, а также атмосферные осадки, талые воды, сточные воды, сбрасываемые в поверхностные водоемы...

Химия фуллеренов

Молекулы фуллеренов обладают высокой механической прочностью.Теоретические оценки модуля объемного сжатия. В для отдельной молекулы фуллерена С60 дают величины ~720 ? 900 ГПа. У кристалла алмаза В ~ 450 ГПа, т.е. он в два раза более легко сжимаем...

Химия элементов IБ группы

Золото давно является объектом научных исследований и относится к числу металлов, чьи свойства изучены достаточно глубоко. Атомный номер золота 79, атомная масса 197.967, атомный объем 10.2см /моль...

Возникновение структур и их характер обычно определяют, измеряя механические свойства систем: вязкость, упругость, пластичность, прочность. Поскольку эти свойства связаны со структурой, их называют структурно– механическими.

Структурно– механические свойства систем исследуют методами реологии.

Реология – наука о деформациях и течении материальных систем. Она изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений.

Термин деформация означает относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность.

Внешнее напряжение – есть не что иное, как давление Р.

В механике сплошных сред доказывается, что в случае несжимаемых материалов, каковыми являются большинство дисперсных систем, все виды деформации (растяжение, сжатие, кручение и др.) можно свести к основной – деформации сдвига под действием напряжения сдвига Р (Н/м 2 =. Па). Скорость деформации является скоростью сдвига. Деформацию выражают обычно посредством безразмерных величин . Скорость деформации – , где t – время.

Изучая структурно– механические свойства дисперсных систем, можно определить, образуется ли в системе структура и каков ее характер.

СВОБОДНОДИСПЕРСНЫЕ (БЕССТРУКТУРНЫЕ) СИСТЕМЫ

Агрегативно устойчивые золи (бесструктурные системы) подчиняются законам Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна.

Закон Ньютона устанавливает связь между скоростью деформации и напряжением сдвига:

(11.1)

Рис.11.2. Зависимость скорости деформации от напряжения сдвига

Рис.11.3. Зависимость расхода жидкости от давления

Рис. 11.4. Зависимость вязкости дисперсной системы от концентрации

где Р – напряжение сдвига, поддерживающее течение жидкости, Па; – деформация (течение) жидкости; – скорость деформации; – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом вязкости или динамической вязкостью, Па – с; – величина, обратная вязкости, называется текучестью.

Уравнение (11.1) представляет собой уравнение прямой, представленной на рис. 11.2.

Вязкость – величина постоянная, не зависящая от Р.

Закон Пуазейля выражает зависимость объема жидкости, протекающей через трубу или капилляр, от давления:

где Q – расход жидкости в единицу времени; Р - давление в трубе; К – константа, определяемая геометрическими параметрами трубы или капилляра ,(r и l – радиус и длина трубы). Из графика, отвечающего закону Пуазейля (рис. 11.3), видно, что динамическая вязкость не зависит от давления, а скорость течения жидкости прямо пропорциональна давлению.

Закон Эйнштейна устанавливает зависимость вязкости бесструктурной жидкой дисперсной системы от концентрации дисперсной фазы:

(11.3)

где – динамическая вязкость дисперсионной среды; – объемная концентрация дисперсной фазы; – коэффициент, определяемый формой частиц дисперсной фазы. График, отвечающий закону Эйнштейна, дан на рис. 11.4.

Таким образом, относительное приращение вязкости прямо пропорционально относительному содержанию дисперсной фазы. Чем больше , тем сильнее выражено тормозящее влияние частиц, тем больше вязкость. Расчеты, проведенные Эйнштейном, показали, что для сферических частиц = 2,5, для частиц другой формы > 2,5. Жидкости, подчиняющиеся рассмотренным законам, называются ньютоновыми жидкостями.

ЖИДКООБРАЗНЫЕ СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

При наличии структуры взаимодействием между частицами дисперсной фазы нельзя пренебречь. Прилагаемое напряжение сдвига не только заставляет жидкость течь, но и может разрушать существующую в ней структуру. Это неизбежно должно приводить к нарушению пропорциональности между прилагаемым напряжением Р и скоростью деформации , вязкость системы становится величиной, зависящей от Р. Следовательно, для таких жидкостей законы Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна не выполняются. Такие жидкости называются неньютоновыми жидкостями.

Для описания связи между скоростью деформации и прилагаемым напряжением сдвига Р обычно используют эмпирическое уравнение Оствальда – Вейля:

Или , (11.4)

где k и n – постоянные, характеризующие данную жидкообразную систему.

При n – 1 и k = уравнение (11.4) превратится в уравнение Ньютона. Таким образом, отклонение величины n от единицы характеризует степень отклонения свойств неныотоновых жидкостей от ньютоновых. При n < 1 ньютоновская вязкость уменьшается с увеличением напряжения и скорости сдвига. Такие жидкости называются псевдопластическими.

При n > 1 ньютоновская вязкость жидкости увеличивается при увеличении напряжения и скорости сдвига. Такие жидкости называются дилатантными.

На рис. 11.5 представлена кривая течения псевдопластической жидкости. На кривой имеются три характерных участка. На участке I (OA) система ведет себя подобно ньютоновой жидкости с большой вязкостью .Такое поведение системы объясняется тем, что при малых скоростях течения структура, разрушаемая приложенной нагрузкой, успевает восстанавливаться. Такое течение называется ползучестью.

Рис.11.5. Кривая течения псевдопластической структурированной

жидкообразной системы

Ползучесть – это медленное течение с постоянной вязкостью без прогрессирующего разрушения структуры.

Для слабоструктурированных систем участок I обычно небольшой и его практически невозможно обнаружить. Для сильноструктурированных систем область значений Р, при которых наблюдается ползучесть, может быть весьма значительной. Напряжение Р к соответствует началу разрушения структуры.

На участке II (АВ) зависимость от Р теряет линейный характер, при этом вязкость уменьшается. Это уменьшение связано с разрушением структуры. В точке В структура практически полностью разрушена. Напряжение, отвечающее этой точке, называется предельным напряжением сдвига Р m . При напряжениях Р > Р m , когда структура системы разрушена, система течет подобно ньютоновой жидкости, имеющей вязкость .

Напряжение Р т называется пределом текучести – это минимальное напряжение сдвига, при котором ползучесть системы переходит в течение. Чем прочнее структура, тем выше предел текучести. Расход жидкости в единицу времени Q, протекающей через трубу при Р < Р m можно рассчитать по уравнению Бингама:

(11.5)

где – пластическая вязкость, она характеризует способность структуры к разрушению при изменении нагрузки, т. е. = f(Р).

Прочность структуры оценивается не только пределом текучести, но и разностью . Чем больше эта разность, тем прочнее структура. Значения и и могут различаться на несколько порядков. Так, для суспензии бентонитовой глины = 10 6 Па * с, a = 10 -2 Па * с.

ТВЕРДООБРАЗНЫЕ СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

На рис. 11.6 изображена кривая течения твердообразной структурированной системы. Сравнивая эту кривую с аналогичной кривой для жидкообразной структурированной системы (см. рис. 11.5), видим, что на первой кривой появился горизонтальный участок IV, совпадающий с осью абсцисс. Он заканчивается при достижении давления, равного PS, называемого статическим предельным напряжением сдвига. При Р < PS система не только не течет, но и не проявляет свойств ползучести, . Величина PS характеризует прочность сплошной пространственной сетки.

Рис.11.6. Кривая течения твердообразной структурированной системы

При Р > PS кривая течения твердообразной системы аналогична кривой течения жидкообразной системы, рассмотренной выше.

Для твердообразных упругопластичных тел на много порядков больше, чем для жидкообразных и при достижении предела текучести Р Т наступает лавинообразное разрушение структуры с последующим пластическим течением.

В упругохрупких телах течение не наблюдается, так как напряжение, при котором происходит хрупкий разрыв, достигается раньше, чем предел текучести.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Свойства дисперсных систем зависят от концентрации частиц дисперсной фазы. В разбавленных золях расстояния между частицами сравнительно велики и взаимодействием между ними можно пренебречь. Такие системы являются свободнодисперсными (бесструктурными).

При увеличении концентрации дисперсной фазы между частицами возникают контакты, образуется структура.

Структурированные коллоидные системы делятся на коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные. Коагуляционные структуры – гели, в которых частицы дисперсной фазы разделены прослойками дисперсионной среды, образуются за счет ван– дер– ваальсовых сил и обладают малой прочностью. Для этих структур характерны свойства тиксотропии и синерезиса. При определенных условиях гели могут превращаться в золи.

Конденсационно– кристаллизационные структуры образуются за счет непосредственного химического взаимодействия между частицами, характерны для связнодиспересных систем с твердой дисперсионной средой и придают им твердость и хрупкость. Превращение коагуляционных структур в конденсационно– кристаллизационные является процессом необратимым.

Структурированные системы обладают способностью деформироваться под влиянием механических нагрузок, а в некоторых случаях происходит их течение. Изучение таких систем с целью выявления наличия структуры и ее характера осуществляется методами реологии – науки о деформациях и течении материальных систем.

Бесструктурные системы, жидкообразные коагуляционные и твердообразные системы различаются по структурно-механическим свойствам (вязкости, упругости, прочности и пластичности).

Бесструктурные коллоидные системы, подобно чистым жидкостям, подчиняются законам Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна. Они обладают постоянной вязкостью, не зависящей от приложенных нагрузок. Они называются ньютоновыми жидкостями.

Жидкообразные структурированные системы называются неньтоновыми жидкостями – их течение не подчиняется закону Ньютона, а вязкость зависит от напряжения сдвига. При некотором напряжении сдвига, называемом предельным, происходит полное разрушение структуры и система течет подобно ньютоновой жидкости, при этом вязкость системы становится минимальной.

Твердообразные структурированные системы характеризуются наличием первого (статического) предельного напряжения сдвига, до достижения которого жидкость не течет и не проявляет свойства ползучести. Для многих твердообразных тел разрушение структуры происходит при напряжениях, меньших предела текучести.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Какие структурированные системы называются коагуляционными? За счет каких сил они образуются?

2.В чем состоят особенности конденсационно– кристаллизационных структур?

3.Какие свойства называются тиксотропией и синерезисом?

4.Какие свойства относятся к структурно– механическим? Почему они так называются?

5.Какие зависимости изучает реология?

6.Какие жидкости называются ньютоновыми? Каким законам они подчиняются?

7.Какие участки имеются на кривых течения жидкообразных систем?

8.Какое явление называется ползучестью? Для какихсистем это явление наблюдается?

9.В чем состоят особенности течения твердообразных систем?

10, Что можно сказать о влиянии скорости сдвига на ньютоновскую вязкость для разных систем?

Закончив изучение главы 11, вы должны знать:

Причины структурообразования в дисперсных системах;

Виды структурированных дисперсных систем, их особенности;

Основные структурно– механические свойства разных систем.

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ

ЛИОФИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Большинство дисперсных системявляются лиофобными. Для них характерны:

Гетерогенность, наличие четко выраженной межфазной границы;

Высокаястепень раздробленности дисперсной фазы;

Процесс диспергирования является несамопроизвольным, требует затраты энергии;

Наличие избытка свободной поверхностной энергии, что обусловливает стремлениек коагуляции. Свойства лиофобных систем былиподробно рассмот– рены в предыдущихглавах.

Теперь мы переходим к рассмотрению лиофильных систем, свойства которых принципиально отличаются от свойств лиофобных систем, а именно:

Образование этих систем происходит самопроизвольно, часто с выделением энергии;

Имеет место сильное межмолекулярное взаимодействие между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой. Межфазовое поверхностное натяжение очень мало, а межфазовая граница размыта;

Системы являются термодинамически устойчивыми, что означает постоянство во времени концентрации и размеров частиц.

К лиофильным системам относятся:

Коллоидные поверхностно– активные вещества (ПАВ);

Растворы высокомолекулярных соединений (ВМС).

ГЛАВА 12

КОЛЛОИДНЫЕ ПОВЕРХНОСТНО–АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

О поверхностно– активных веществах шла речь в связи с адсорбцией молекул на поверхности жидкого раствора (глава 3). Вспомним определение ПАВ:

ПАВ – это вещества, добавление которых в гетерогенную систему уменьшает поверхностное натяжение на границе раздела фаз. При этом во всем интервале концентраций вплоть до насыщенного раствора ПАВ находятся в молекулярно-дисперсном состоянии, т. е. системы являются гомогенными.

При удлинении углеводородной цепи до 8– 10 атомов углерода возникает новое свойство – способность молекул ПАВ объединяться в агрегаты, содержащие десятки молекул и называемые мицеллами. При малых концент– рациях эти ПАВ образуют истинные растворы. При увеличении концентрации раствора до определенной величины, называемой критической концентрацией мицел-лообразования (ККМ), в растворе наряду с молекулами ПАВ присутствуют мицеллы, т. е. появляется новая фаза. Такие системы характеризуются двумя свойствами: высокой дисперсностью и гетерогенностью, т. е. обладают свойствами коллоидных растворов.

Коллоидные ПАВ – это вещества, которые не только снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз, но при определенных концентрациях способны к самопроизвольному мицеллообразованию, т. е, к обра – зованию новой фазы.

Отличие коллоидных ПАВ от обычных заключается только в длине углеводородного радикала.

DSM - система классификации Американской психиатрической ассоциации

E. Це мієлінове нервове волокно центральної нервової системи

Fimmtadómur - завершение строительства административной системы

Структурно– механические свойства систем исследуют методами реологии.

Термин деформация означает относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность.

Внешнее напряжение – есть не что иное, как давление Р.

СВОБОДНОДИСПЕРСНЫЕ (БЕССТРУКТУРНЫЕ) СИСТЕМЫ

Агрегативно устойчивые золи (бесструктурные системы) подчиняются законам Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна.

Закон Ньютона устанавливает связь между скоростью деформации и напряжением сдвига:

Рис.11.2. Зависимость скорости деформации от напряжения сдвига

Рис.11.3. Зависимость расхода жидкости от давления

Рис. 11.4. Зависимость вязкости дисперсной системы от концентрации

Уравнение (11.1) представляет собой уравнение прямой, представленной на рис. 11.2.

Вязкость – величина постоянная, не зависящая от Р.

Закон Пуазейля выражает зависимость объема жидкости, протекающей через трубу или капилляр, от давления:

ЖИДКООБРАЗНЫЕ СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

Или , (11.4)

где k и n – постоянные, характеризующие данную жидкообразную систему.

Рис.11.5. Кривая течения псевдопластической структурированной

жидкообразной системы

Ползучесть – это медленное течение с постоянной вязкостью без прогрессирующего разрушения структуры.

Рис.11.6. Кривая течения твердообразной структурированной системы

К структурно-механическим свойствам относят вязкость, упругость, пластичность, прочность. Структурно-механические свойства исследует наука реология .

В разбавленных золях при больших расстояниях между коллоидными частицами взаимодействием между ними можно пренебречь. Такие системы называют свободнодисперсными (бесструктурными).

При увеличении концентрации дисперсной фазы между частицами возникают контакты, при этом за счет ванн-дер-ваальсовых сил образуются структуры. К структуированным коллоидным системам относятся обладающие малой прочностью гели, в которых частицы дисперсной фазы разделены прослойками среды. При определенных условиях гели могут превращаться в золи и, наоборот, при длительном хранении гидрофильные золи переходят в особое «студнеобразное» коллоидное состояние. В таком виде их называют гелями. Структура геля такова, что мицеллы не разрушаются, а просто связываются друг с другом, образуя своеобразные ячейки, внутри которых сохраняется среда, например, вода. Гель можно высушить, превратив его в твердый коллоид. Примером гидрофильного золя может служить золь желатина. При набухании твердого желатина в воде образуется гель. При нагревании геля («студня») образуется золь. Все процессы обратимы:

Золь D Гель D Твердый коллоид

Заключение

Коллоидные растворы имеют большое значение в нашей жизни и находят очень широкое применение в технике, медицине и сельском хозяйстве. В коллоидном состоянии находятся многие составные части живых организмов: кровь, лимфа, внутриклеточная жидкость. Почва, природные воды, лекарственные вещества, пищевые продукты, парфюмерные товары, средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями и сорняками находятся в коллоидном состоянии. Исключительная важность этих систем для жизни человечества определяет необходимость их изучения.

Контрольные вопросы

1. Опишите растворы как гомогенные системы.

2. Дайте определения способам выражения состава растворов (массовая доля, молярная и молярная концентрация эквивалентов).

3. Охарактеризуйте свойства разбавленных молекулярных растворов (понижение давления пара растворителя, повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания, осмотическое давление).

4. Охарактеризуйте растворы электролитов, их отличия от молекулярных растворов.

5. Приведите основные положения теории электролитической диссоциации С. Аррениуса и сольватной теории Д.И. Менделеева.

6. Дайте определение степени диссоциации электролитов. Как подразделяют электролиты по степени диссоциации? Приведите примеры ступенчатой диссоциации многоосновных кислот и многокислотных оснований.

7. Охарактеризуйте диссоциацию слабых электролитов как обратимый процесс. Приведите вывод уравнения закона разбавления Оствальда.

8. Объясните, почему константа диссоциации сильных электролитов изменяется с изменением концентрации.

9. Чем определяется направленность реакций в растворах электролитов? Приведите формулировку правила Бертолле.

10. Охарактеризуйте воду как слабый электролит константой диссоциации. Что такое водородный показатель? Как он характеризует кислотность раствора?

11. Дайте определение произведению растворимости (ПР), как показателю, характеризующему равновесие между осадком малорастворимого вещества и насыщенным раствором.

12. Что такое дисперсная система, дисперсная фаза и дисперсионная среда? Приведите классификацию дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз. Приведите примеры дисперсных систем.

13. Дайте определение и приведите примеры лиофобных и лиофильных дисперсных систем.

14. На примере рассмотрения границы раздела фаз жидкость – газ объясните, что такое свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение.

15. Опишите поверхностные явления – адсорбцию и десорбцию. Дайте определения понятиям – адсорбент, адсорбат, адсорбтив.

16. Опишите строение коллоидной частицы на примере AgCl, полученной при избытке AgNO 3 .

17. Объясните механизм возникновения и строение двойного электрического слоя на поверхности коллоидных частиц.

18. Опишите методы получения коллоидных растворов.

19. Объясните что такое коагуляция и седиментация коллоидных растворов, как их вызвать и как предотвратить.

20. Опишите оптические и кинетические свойства коллоидных растворов.

Примеры выполнения заданий

Пример 1а. Определите массу кристаллогидрата CuSO 4 ×5H 2 O, необходимого для приготовления 50 г 10%-ного раствора сульфата меди. Какой объем воды необходим для приготовления этого раствора?

Найдем массу кристаллогидрата, содержащего 5 г безводной соли:

1 моль CuSO 4 ×5H 2 O содержит 1 моль CuSO 4 ,

v (CuSO 4 ×5H 2 O) = v (CuSO 4) = 0,031 моль.

M (CuSO 4 ×5H 2 O) = 160 + 5×18 = 250 г/моль,

m (CuSO 4 ×5H 2 O) = 250×0,031 = 7,8 г.

Найдем объем воды, необходимый для приготовления раствора:

m (H 2 O) = m р - ра – m в - ва,

m (H 2 O) = 50 – 7,8 = 42,2 г

, r(Н 2 О) = 1 г/мл,

Ответ: m (CuSO 4 5H 2 O) = 7,8 г;

V (H 2 O) = 42,2 мл.

Пример 1б. Приведите расчет для приготовления 200 мл 0,3 н. раствора сульфата никеля из имеющегося в лаборатории NiSO 4 ×7H 2 O и воды.

Найдем массу соли NiSO 4 ×7H 2 O. Так как 1 моль кристаллогидрата содержит 1 моль безводной соли, то при приготовлении растворов заданной нормальной или молярной концентрации, расчет ведут по молярной массе кристаллогидрата.

m в-ва = C н ×M ×f×V р-ра,

М = 59 + 32 + 64 + 18×7 = 281 г/моль, f = 1/2,

m в-ва = 0,3 × 281 × 0,5 × 0,2 = 8,43 г.

Растворы молярной и нормальной концентрации готовят в мерных колбах заданного объема, поэтому объем добавляемой воды не рассчитывают.

Ответ: m (NiSO 4 ×7H 2 O) = 8,43 г.

Пример 1в. Какой объем 15%-ного раствора карбоната натрия (r = 1,10 г/мл) необходим для приготовления 120 мл 0,45 М раствора?

Найдем, в какой массе 15%-ного раствора содержится 5,72 г карбоната натрия:

Ответ: V 15%р-ра = 34,67 мл.

Пример 1г. Какая масса соли необходима для приготовления 200 мл раствора с молярной концентрацией эквивалента 0,3.

Ответ: m (AlCl 3) = 26,7 г.

Пример 2 . Составьте выражения констант диссоциации для угольной и сернистой кислот. Пользуясь таблицей 7, определите, какая из них является более слабым электролитом. Рассчитайте степень диссоциации сернистой кислоты в 0,001 М растворе.

H 2 CO 3 D H + + HCO 3 –

HCO 3 – D H + + CO 3 2–

K общ = K 1 ×K 2 = 4,5×10 –7 ×4,7×10 –11 = 2,1×10 –17

H 2 SO 3 D H + + HSO 3 –

HSO 3 – D H + + SO 3 2–

K общ = K 1 ×K 2 = 1×10 –9

Из сравнения значений констант диссоциации угольной и сернистой кислот видно, что угольная кислота более слабая (K (H 2 CO 3) < K (H 2 SO 3)).

Пример 3 . Составьте выражения ПР гидроксидов магния и железа(II), пользуясь таблицей 6, сравните их растворимость.

В насыщенных водных растворах труднорастворимых веществ устанавливаются гетерогенные равновесия между осадком и ионами электролита в растворе:

Mg(OH) 2(к) D Mg 2+ + 2OH – ПР(Mg(OH) 2) = 2 = 2,3×10 –13

Fe(OH) 2(к) D Fe 2+ + 2OH – ПР(Fe(OH) 2)= 2 = 7,9×10 –16

ПР(Mg(OH) 2) > ПР(Fe(OH) 2) .

Растворимость гидроксида магния больше растворимости гидроксида железа (II).

Пример 4 . Произведение растворимости AgIO 3 равно 3,2×10 –8 при 25°C. Рассчитайте молярную концентрацию AgIO 3 в его насыщенном при данной температуре растворе.

Ответ: С М = 1,79×10 –4 моль/л.

Пример 5 . Рассчитайте концентрацию ОН – -ионов, а также рН и рОН раствора, укажите реакцию среды, если = 8,32×10 –4 моль/л.

рОН = –lg;

pOH = –lg1,2×10 –11 = –(lg1,2 + lg10 –11) = –(0,08 – 11) = 10,92

Проверка: рН + рОН = 14; 3,08 + 10,92 = 14

Ответ: = 1,2×10 –11 моль/л; рОН = 10,92; рН = 3,08; среда кислая.

Пример 6 . Какие из указанных солей подвергаются гидролизу: нитрат лития, сульфат хрома (III), ортофосфат натрия, сульфид хрома (III)? Приведите ионные и молекулярные уравнения гидролиза, укажите реакцию среды и условия смещения равновесия.

Гидролизу подвергаются те растворимые соли, которые образованы слабым основанием (гидролиз по катиону) или слабой кислотой (гидролиз по аниону), т.к. лишь взаимодействие их ионов приводит к образованию слабого электролита (связыванию ионов) и смещению ионного равновесия диссоциации воды.

Алгоритм составления уравнений обратимого гидролиза :

1. Составьте краткое ионное уравнение взаимодействия одного иона слабого электролита с одной молекулой воды. Укажите рН раствора соли (> или < 7), а также влияние подкисления или подщелачивания среды на смещение равновесия гидролиза (в соответствии с принципом Ле-Шателье).

2. Составьте полное ионное уравнение, приписав к левой и правой частям уравнения формулы ионов сильного электролита, не участвующих в гидролизе.

3. Составьте молекулярное уравнение гидролиза соли по первой ступени, при необходимости расставьте коэффициенты.

4. Если гидролиз идет по трехзарядному иону, составьте уравнения гидролиза по второй ступени, повторив действия 1-3 и приняв за исходную соль продукт первой ступени. Учтите, что число стадий гидролиза по многозарядному иону, реально протекающих при обычных условиях, как правило, на одну меньше, чем заряд иона, т.к. каждая последующая стадия привела бы к образованию более сильного электролита.

Решение.

LiNO 3 – соль образована сильным основанием (LiOH) и сильной кислотой (HNO 3), гидролизу не подвергается, т.к. ионы Li + и NO 3 – не образуют с водой слабых электролитов, рН = 7.

Cr 2 (SO 4) 3 – соль образована слабым основанием (Cr(OH) 3), и сильной кислотой (H 2 SO 4), гидролиз по катиону.

I ступень Cr 3+ + HOH D CrOH 2+ + H + pH < 7

Cr 3+ + SO 4 2- + HOH D 2+ + H + + SO 4 2–

Cr 2 (SO 4) 3 + 2HOH D 2SO 4 + H 2 SO 4

II ступень 2+ + HOH D + + H +

2+ + SO 4 2– + HOH D + + H + + SO 4 2–

2SO 4 + 2HOH D 2 SO 4 + H 2 SO 4

По третьей ступени гидролиз практически не идет, т.к. это привело бы к образованию более сильного электролита Cr(OH) 3 , чем Cr(OH) 2 + .

Усилить гидролиз можно связыванием протонов в воду, т.е. добавлением щелочи, а также нагреванием и разбавлением раствора. К смещению равновесия гидролиза влево приведет добавление кислоты.

Na 3 PO 4 – соль образована сильным основанием (NaOH) и кислотой средней силы (H 3 PO 4), гидроанионы которой являются слабыми электролитами (гидролиз по аниону).

I ступень PO 4 3– + HOH D HPO 4 2– + OH – pH > 7

PO 4 3– + Na + + HOH D HPO 4 2– + Na + + OH –

Na 3 PO 4 + HOH D Na 2 HPO 4 + NaOH

II ступень HPO 4 2– + HOH D H 2 PO 4 – + OH –

Na + + HPO 4 2– + HOH D H 2 PO 4 – + Na + + OH –

NaHPO 4 + HOH D NaH 2 PO 4 + NaOH

Усиление гидролиза возможно при добавлении кислоты, нагревании, разбавлении. Подщелачивание среды приведет к смещению равновесия влево.

По третьей ступени гидролиз при обычных условиях практически не идет, т.к. H 3 PO 4 более сильный электролит, чем H 2 PO 4 – .

Cr 2 S 3 – соль образована слабым многокислотным нерастворимым основанием Cr(OH) 3 и слабой многоосновной летучей кислотой – H 2 S. Такие соли подвергаются полному необратимому гидролизу. При этом сразу образуются конечные продукты гидролиза – осадок слабого основания и летучая кислота.

Cr 2 S 3 + 6H 2 O = 2Cr(OH) 3 ¯ + 3H 2 S pH » 7.

Пример7а. Определить давление пара раствора при 40°С, содержащего 3,6 г глюкозы в 250 г воды. Давление пара воды при той же температуре равно 55,32 мм рт. ст.

Ответ: р 1 = 55,24 мм рт. ст.

Пример 7б. Определить температуру замерзания раствора, содержащего 0,8132 г нафталина в 25,46 г бензола. Температура замерзания бензола 5,5°С, а криоскопическая постоянная его 5,12.

Пример7в. Определить массовую долю мочевины в водном растворе, если его температура кипения 100,174°С. Эбуллиоскопическая постоянная воды 0,512.

Задания для самостоятельного решения

Задание 1. Решите расчетную задачу.

1. Сколько г Na 2 CO 3 содержится в 500 мл 0,25 н раствора?

2. Какая масса KCl потребуется для приготовления 250 мл 0,15 М раствора?

3. Найдите массу NaNO 3 , необходимую для приготовления 150 мл 2 М раствора.

4. В каком объеме 0,1 н CuSO 4 содержится 8 г безводной соли?

5. В каком объеме 0,3 М раствора NaCl содержится 2 г соли?

6. Определите молярную концентрацию раствора, содержащего 11,2 г КОН в 200 мл раствора.

7. Сколько г Na 2 CO 3 содержится в 500 мл 0,25 н раствора?

8. Определите молярную концентрацию раствора Na 2 SO 4 , содержащего 42 г соли в 300 мл раствора.

9. Вычислите молярную концентрацию Ва(ОН) 2 в растворе, если в 2 л его содержится 2 г щелочи.

10. Сколько г NaBr потребуется для приготовления 700 мл 0,15 н раствора соли?

11. Какая масса KCl потребуется для приготовления 250 мл 1,15 М раствора соли?

12. Найдите массу NaOH, необходимую для приготовления 2 л 0,3 н раствора.

13. В каком объеме 2 М раствора NaCl содержится 5 г соли?

14. Какова концентрация раствора, содержащего 9 г CaCl 2 в 500 мл раствора?

15.В каком объеме 0,1 н раствора CuCl 2 содержится 5 г соли?

Задание 2 . Составьте уравнения диссоциации соединений, формулы которых приведены ниже. В тех случаях, где это необходимо, приведите уравнения ступенчатой диссоциации. Составьте выражения констант диссоциации предложенных кислот. Какая из двух является более слабой? Рассчитайте степень диссоциации одной из кислот в 0,01 М растворе.

Задание 3 . Составьте выражения ПР указанных веществ, сравните их растворимость. Рассчитайте концентрацию катионов и анионов в насыщенном растворе одного из этих веществ.

Вариант
Вещества	AgBr AgCl	Mg(OH) 2 MgS	CaSO 4 BaSO 4	AgI AgCl	FeS CuS	SrSO 4 BaSO 4	CdS CuS	AgBr AgI
Вариант
Вещества	CaCO 3 CaSO 4	HgS CuS	FeS Fe(OH) 2	CuI AgI	CuCl CuI	Cu(OH) 2 CuS	Zn(OH) 2 ZnS

Задание 4 . Рассчитайте концентрацию ионов ОН - , а также рН раствора, укажите реакцию среды, если концентрация ионов Н + составляет:

Варинт	, моль/л	Вариант	, моль/л	Вариант	, моль/л
	3,82×10 –12		9,12×10 –5		7,55×10 –7
	2,85×10 –2		6,38×10 –10		4,52×10 –4
	2,88×10 –6		8,85×10 –11		3,33×10 –3
	5,28×10 –13		8,32×10 –6		1,86×10 –11
	7,56×10 –1		6,25×10 –9		8,84×10 –12

Задание 5 . Приведите молекулярные и ионные уравнения тех реакций, которые возможны в растворе, объясните их направленность.

Вариант	Схемы реакций	Вариант	Схемы реакций
	Cu(OH) 2 + Na 2 SO 4 ® Na 2 SO 4 + BaCl 2 ® Fe(OH) 3 + H 2 SO 4 ® Al(OH) 3 + NaOH ® Pb(NO 3) 2 + H 2 S ®		NaOH + CaCO 3 ® CaSO 4 + SrCl 2 ® 2 SO 4 + HCl ® Cu(NO 3) 2 + H 2 S ® CuCl 2 + AgNO 3 ®
	H 2 CO 3 + Ca(NO 3) 2 ® NaCl + LiNO 3 ® Cr(OH) 3 + KOH ® Na 2 CO 3 + HCl ® Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 ®		KCl + H 2 SO 4 ® 2 SO 4 + HCl ® Pb(NO 3) 2 + Cu(OH) 2 ® Na 2 CO 3 + Ca(NO 3) 2 ® NH 4 NO 3 + NaOH ®
	CaCO 3 + LiCl ® K 2 S + HCl ® Mg(OH) 2 + Na 2 SO 4 ® 2 SO 4 + H 2 SO 4 ® Pb(OH) 2 + HNO 3 ®		Pb(OH) 2 + KOH ® H 2 S + FeCl 2 ® ZnSO 4 + Cu(OH) 2 ® NaH 2 PO 4 + NaOH ® CaCl 2 + Na 2 CO 3 ®
	Cu(NO 3) 2 + BaSO 4 ® Ba(OH) 2 + H 2 SO 4 ® CuSO 4 + KCl ® Be(OH) 2 + KOH ® Ba(HCO 3) 2 + NaOH ®		HNO 3 + K 2 SO 4 ® Al(OH) 3 + KOH ® KOH + Na 2 SO 4 ® CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ® BaS + CuSO 4 ®
	Be(OH) 2 + KOH ® FeOHCl 2 + HCl ® Na 2 SO 4 + K 2 CO 3 ® NaNO 3 + Zn(OH) 2 ® CaCl 2 + H 2 SO 4 ®		Na 2 SiO 3 + HCl ® Cr(OH) 3 + HNO 3 ® CuCl 2 + KNO 3 ® CrOHSO 4 + H 2 SO 4 ® AgNO 3 + CuCl 2 ®
	Ba(NO 3) 2 + Na 2 SO 4 ® CuOHCl + NaOH ® KNO 3 + Na 2 CO 3 ® Al(OH) 3 + KCl ® Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 ®		CaS + HCl ® CoCl 2 + KOH ® Pb(NO 3) 2 + KCl ® Be(OH) 2 + Ba(OH) 2 ® NaNO 3 + H 2 SO 4 ®
	BaCl 2 + H 2 SO 4 ® Na 3 PO 4 + H 2 S ® NaOH + AlCl 3 ® PbOHNO 3 + HNO 3 ® Na 2 S + KCl ®		K 2 SO 4 + H 2 SO 3 ® BaS + CuSO 4 ® Al(OH) 3 + NaCl ® SrSO 4 + CaCl 2 ® Cr(OH) 3 + NaOH ®
	Be(OH) 2 + KOH ® AgNO 3 + CaCl 2 ® HNO 3 + CaS ® KBr + Zn(OH) 2 ® NaHSO 4 + NaOH ®

Задание 6 . Составьте молекулярные уравнения реакций, соответствующие следующим кратким ионным.

Вар.	Краткое ионное уравнение	Вар.	Краткое ионное уравнение
	H 2 PO 4 – + OH - = HPO 4 2– + H 2 O Pb 2+ + SO 4 2– = PbSO 4 ¯ + + 2H + = Cr 3+ + 2H 2 O		3Ag + + PO 4 3– = Ag 3 PO 4 ¯ HCO 3 – + OH - = CO 3 2– + H 2 O BaCO 3 + 2H + = Ba 2+ + CO 2 + H 2 O
	+ + 2H + = Fe 3+ + 2H 2 O H 2 S + 2Ag + = Ag 2 S¯ + 2H + CO 3 2– + 2H + = CO 2 + H 2 O		HAsO 4 2– + OH - = AsO 4 3– + H 2 O 2+ + H + = Al 3+ + H 2 O 2H + + S 2– = H 2 S
	HCO 3 – + H + = H 2 O + CO 2 Ni(OH) 2 + 2H + = Ni 2+ + 2H 2 O CO 3 2– + Ca 2+ = CaCO 3 ¯		FeOH 2+ + 2OH - = Fe(OH) 3 ¯ MgCO 3 + 2H + = Mg 2+ + CO 2 + H 2 O Cu 2+ + S 2 – = CuS¯
	SO 3 2– + 2H + = SO 2 + H 2 O + + H + = Cu 2+ + H 2 O 3Ca 2+ + 2PO 4 3 – = Ca 3 (PO 4) 2 ¯		H 2 S + Pb 2+ = PbS¯ + 2H + BaSO 3 + 2H + = Ba 2+ + SO 2 + H 2 O + + OH – = Fe(OH) 3 ¯
	H 2 PO 4 – + 2OH – = PO 4 3– + 2H 2 O Pb 2+ + 2I – = PbI 2 ¯ CaCO 3 + 2H + = Ca 2+ + CO 2 + H 2 O		Pb 2+ + 2Br – =PbBr 2 ¯ HS - + OH – = S 2– + H 2 O BaSeO 3 + 2H + = Ba 2+ + SeO 2 + H 2 O
	HSO 3 – + OH - = SO 3 2– + H 2 O Ag + + I – = AgI¯ Co(OH) 2 + 2H + = Co 2+ + 2H 2 O		+ + OH – = Fe(OH) 2 ¯ Sr 2+ + SO 4 2+ = SrSO 4 ¯ SO 3 2– + 2H + = H 2 O + SO 2
	3Ba 2+ + 2PO 4 3- = Ba 3 (PO 4) 2 ¯ HSe – + H + = H 2 Se Ag + + Br – = AgBr¯		+ + H + = Cu 2+ + H 2 O H 2 S + 2Ag + = Ag 2 S¯ + 2H + H 2 AsO 4 – + 2OH – = 2H 2 O + AsO 4 3–
	Hg 2+ + S 2– = HgS¯, + + 2H + = Al 3+ + 2H 2 O, H + + OH – = H 2 O

Задание 7 . Рассчитайте концентрацию ионов Н + и ОН - в растворе, рН которого равен:

Вариант
рН	4,3	10,8	2,6	12,5	8,3	11,6	1,8	6,7
Вариант
рН	9,4	3,8	9,3	2,3	13,2	5,6	1,1

Задание 8 . Какие, из указанных солей подвергаются гидролизу? Приведите молекулярные и ионные уравнения гидролиза, укажите реакцию среды и условия смещения равновесия гидролиза.

Вариант	Названия солей
	Фосфат калия, сульфат меди (II), хлорид рубидия, сульфид алюминия
	Ацетат аммония, нитрат хрома (III), карбонат лития, сульфат цезия
	Нитрат натрия, сульфид бария, хлорид железа (III), сульфид железа (III)
	Хлорид бария, сульфид натрия, сульфат меди (II), карбонат хрома (III)
	Сульфит калия, нитрат кобальта (II), нитрат калия, сульфид хрома (III)
	Иодид лития, сульфит натрия, нитрат алюминия, карбонат аммония
	Ацетат натрия, сульфат железа (II), карбонат алюминия, бромид калия
	Нитрат свинца (II), нитрит аммония, сульфат калия, карбонат натрия
	Хлорид цинка, нитрат бария, сульфид алюминия, ацетат меди (II)
	Нитрит кальция, нитрат никеля (II), карбонат железа (III), хлорид рубидия
	Бромид калия, сульфид натрия, хлорид меди (II), сульфид хрома (III)
	Нитрат меди (II), сульфид кальция, нитрат стронция, сульфид аммония
	Хлорид меди (II), фосфат цезия, сульфат калия, сульфид железа (II)
	Нитрат натрия, хлорид бериллия, фосфат калия, сульфит аммония
	Сульфат алюминия, нитрит бария, хлорид калия, сульфид алюминия

Задание 9 . Приведите молекулярные и краткие ионно-молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения, укажите условия их протекания:

Вар	Превращения	Вар	Превращения
	BaCO 3 ® Ba(HCO 3) 2 ® BaCO 3 Fe 2 O 3 ® Fe(OH) 3 Cu ® CuSO 4 Cu(NO 3) 2 ® CuOHNO 3 ® Cu(NO 3) 2 Na 2 SO 4 ® NaCl		ZnO ® Zn(OH) 2 Ca 3 (PO 4) 2 ® CaHPO 4 ® Ca 3 (PO 4) 2 FeCl 3 ® FeOHCl 2 ® FeCl 3 KNO 3 ® HNO 3 Fe ® FeCl 2
	Hg ® Hg(NO 3) 2 ZnSO 4 ® (ZnOH) 2 SO 4 ® ZnSO 4 Na 3 PO 4 ® NaCl K 2 SO 3 ® KHSO 3 ® K 2 SO 3 MgO ® Mg(OH) 2		KCl ® KNO 3 Cu ® CuCl 2 PbO ® Pb(OH) 2 MgCO 3 ® Mg(HCO 3) 2 ® MgCO 3 AlCl 3 ® Al(OH) 2 Cl ® AlCl 3
	Fe ® Fe(NO 3) 2 CuSO 4 ® CuCl 2 Al 2 O 3 ® Al(OH) 3 FeCl 2 ® FeOHCl ® FeCl 2 K 3 PO 4 ® KH 2 PO 4 ® K 3 PO 4		K 2 S ® KHS ® K 2 S CuO ® Cu(OH) 2 Cr 2 (SO 4) 3 ® CrOHSO 4 ® Cr 2 (SO 4) 3 KCl ® HCl Al ® Al 2 (SO 4) 3
	Cr(NO 3) 3 ® CrOH(NO 3) 2 ® Cr(NO 3) 3 SnO ® Sn(OH) 2 K 2 CO 3 ® KHCO 3 ® K 2 CO 3 K 3 PO 4 ® KNO 3 Cu ® Cu(NO 3) 2		Fe ® FeCl 3 Ba 3 (PO 4) 2 ® Ba(H 2 PO 4) 2 ® Ba 3 (PO 4) 2 FeO ® Fe(OH) 2 AlCl 3 ® AlOHCl 2 ® AlCl 3 K 2 SO 4 ® KCl
	MnO ® Mn(OH) 2 Al 2 (SO 4) 3 ® 2 SO 4 ® Al 2 (SO 4) 3 BaCl 2 ® Ba(NO 3) 2 CaCO 3 ® Ca(HCO 3) 2 ® CaCO 3 Mg ® Mg(NO 3) 2		ZnCl 2 ® ZnOHCl ® ZnCl 2 Na 2 SO 3 ® NaHSO 3 ® Na 2 SO 3 Cr 2 O 3 ® Cr(OH) 3 CuSO 4 ® Cu(NO 3) 2 Fe ® FeSO 4
	Na 3 PO 4 ® NaH 2 PO 4 ® Na 3 PO 4 NiO ® Ni(OH) 2 Al(NO 3) 3 ® Al(OH) 2 NO 3 ® Al(NO 3) 3 Ag ® AgNO 3 NaNO 3 ® Na 2 SO 4		CoO ® Co(OH) 2 Al 2 (SO 4) 3 ® 2 SO 4 ® Al 2 (SO 4) 3 KCl ® K 2 SO 4 Al ® AlCl 3 Na 2 CO 3 ® NaHCO 3 ® Na 2 CO 3
	CrCl 3 ® Cr(OH) 2 Cl ® CrCl 3 BeO ® Be(OH) 2 Na 2 SO 4 ® NaNO 3 Zn ® Zn(NO 3) 2 Mg 3 (PO 4) 2 ® Mg(H 2 PO 4) 2 ® Mg 3 (PO 4) 2		Na 2 S ® NaHS ® Na 2 S Fe 2 O 3 ® Fe(OH) 3 Pb(NO 3) 2 ® PbOHNO 3 ® Pb(NO 3) 2 KNO 3 ® K 2 SO 4 Al ® Al 2 (SO 4) 3
	PbO ® Pb(OH) 2 , K 3 PO 4 ® KCl, Pb ® Pb(NO 3) 2 CaSO 3 ® Ca(HSO 3) 2 ® CaSO 3 , Fe 2 (SO 4) 3 ® FeOHSO 4 ® Fe 2 (SO 4) 3

Задание 10. Решите расчетную задачу.

1. Раствор 7,252 г глюкозы в 200 г воды замерзает при –0,378°С. Криоскопическая постоянная воды равна 1,86. Определите молекулярную массу глюкозы.

2. Давление пара воды при 80°С равно 355,1 мм рт.ст. Рассчитайте давление пара над раствором, содержащим 6 г мочевины СО(NH 2) 2 в 180 г воды.

3. При какой температуре замерзнет раствор 0,022 моль глюкозы в 100 г воды? Криоскопическая постоянная воды равна 1,86.

4. Определите относительное понижение давления пара над раствором, содержащим 4,14 г салициловой кислоты С 7 Н 6 О 3 в 100 г этилового спирта.

5. Определите температуру замерзания раствора 0,625 граммов мочевины CO(NH 2) 2 в 50 г воды. Криоскопическая постоянная воды 1,86.

6. Давление пара бензола (С 6 Н 6) при 20°С равно 75,18 мм рт.ст. Вычислите, давление пара над раствором, содержащим 0,514 г дифениламина (C 6 H 5) 2 NH в 50 г бензола при этой температуре.

7. Определите температуру замерзания раствора, содержащего 1,205·10 23 молекул неэлектролита в 1 л воды. Криоскопическая постоянная воды 1,86.

8. Какова массовая доля фруктозы С 6 Н 12 О 6 в водном растворе, который замерзает при –0,524°С? Криоскопическая постоянная воды 1,86.

9. Давление пара воды при 50°С равно 92, 5 мм рт.ст. Сколько моль глюкозы надо растворить в 270 г воды, чтобы давление пара над раствором понизилось на 0,5 мм рт.ст.?

10. Вычислите давление пара воды над 5%-ным водным раствора глицерина C 3 H 8 O 3 при 25°С. Давление пара воды при этой температуре равно 23,76 мм. рт. ст.

11. Определите температуру замерзания раствора 0,8 граммов мочевины CO(NH 2) 2 в 80 г воды. Криоскопическая постоянная воды 1,86.

12. Вычислите температуру кипения водного однопроцентного раствора глицерина С 3 Н 8 О 3 . Эбуллиоскопическая постоянная воды 0,512.

13. Вычислите молекулярную массу бензальдегида, если раствор 1,612°г его в 100 г эфира С 4 Н 10 О кипит при 34,806°С. Температура кипения эфира 34,5°С, а эбуллиоскопическая постоянная его равна 2.

14. Давление пара раствора, содержащего 0,425 г анилина в 100 г эфира (С 4 Н 10 О) при 20°С равно 440,9 мм рт.ст. Давление пара над чистым эфиром при той же температуре – 442,4 мм рт. ст. Определите молекулярную массу анилина.

15. Давление пара бензола (С 6 Н 6) при 20°С равно 75,18 мм рт.ст. Вычислите, давление пара над раствором, содержащим 0,4 г анилина С 6 Н 7 N в 50 г бензола при этой температуре.

Тестовые задания для самоконтроля

1 . Количество молей вещества в единице объема раствора –

1) молярная концентрация;

2) нормальная концентрация;

3) массовая доля.

2 . Отношение массы растворенного вещества к массе раствора –

1) массовая доля;

2) нормальная концентрация;

3) молярная концентрация.

3 . Растворимость газа пропорциональна его парциальному давлению над раствором –

1) Закон Генри;

2) Закон Рауля;

3) Закон Вант-Гоффа.

4 . К сильным электролитам относится?

5 . В растворе не возможна реакция:

1) Be(OH) 2 + 2KOH = K 2 ;

2) KOH + HNO 3 = KNO 3 + H 2 O;

3) KOH + NaNO 3 = KNO 3 + NaOH.

6 . Отрицательный логарифм концентрации ионов водорода в растворе:

1) K нестойкости;

1) С. Аррениус;

2) Д.И. Менделеев;

3) Н.К. Курнаков.

8 . Электролиты, при диссоциации которых в качестве анионов образуются только ОН – - ионы, – это:

1) кислоты;

2) основания;

9 . Ступенчатой диссоциации в растворе подвергаются молекулы…

8. Уравнение K д = α 2 с является выражением закона:

2) Вант-Гоффа;

3) Оствальда.

11 . Дисперсной системой является:

1) раствор сахара;

2) минеральная вода;

3) молоко.

12 . Согласно теории строения коллоидных растворов, мицелла является _______ частицей:

1) электронейтральной;

2) отрицательно заряженной;

3) положительно заряженной.

13 . Движение частиц дисперсной фазы к одному из электродов называется:

1) электрофорезом;

2) электроосмосом;

3) коагуляцией.

14 . Процесс укрупнения частиц, приводящий к потере устойчивости золя, называется:

1) седиментацией;

2) коагуляцией;

3) электрофорезом.

15 . Рассеяние света частицами дисперсной фазы коллоидного раствора, являющееся следствием коллоидной степени дисперсности этих частиц, открыл:

2) Тиндаль;

Ответы к тестовым заданиям

№ вопроса

№ ответа

Лабораторная работа № 6
Часть I. Сильные и слабые электролиты

Цели работы: изучить электрическую проводимость растворов электролитов и влияние на нее различных факторов.

Реактивы : 1 н. растворы соляной кислоты, уксусной кислоты, гидроксида натрия и гидроксида аммония.

Оборудование: источник питания посто

При изменении температуры, введении электролитов, механическом воздействии, увеличении концентрации дисперсной фазы свойства коллоидного раствора постепенно изменяются до тех пор, пока не наступит коагуляция. В процессе коагуляции в результате взаимодействия коллоидных частиц происходит структурообразование, т.е. образование пространственной структурной сетки из частиц дисперсной фазы. Проблема структурообразования в рамках коллоидной химии и физико- химической механики дисперсных систем, составляющих основу современного материаловедения, является одной из важнейших и требует ее всестороннего решения как на макро-, так и на микроуровнях.

Под структурой тел обычно понимают пространственное взаимное расположение составных частей тела: атомов, молекул, мелких частиц. Таким образом, системы, образующиеся в результате коагуляции коллоидных растворов, а также концентрированные растворы ВМС являются структурированными. К ним относятся почва, глины, цементы, большинство пищевых продуктов, краски, смазки, косметические изделия и т.д. Следует отметить, что многие фармацевтические и биологические препараты, в том числе и кровь, также могут проявлять свойства структурированных жидкостей. Тип и свойства структур, образующихся в коллоидных системах, зависят от характера сил взаимодействия между частицами дисперсной фазы. По П.А. Ребиндеру все структуры подразделяются на два типа: конденсационно- кристаллизационные и коагуляционные.

Конденсационно-кристаллизационные структуры типичны для систем с твердой дисперсионной средой, т.е. для связнодисперсных систем. Их образование, отвечает коагуляции в первичном минимуме потенциальной кривой взаимодействия частиц дисперсной фазы. В конденсационно - кристаллизационных системах частицы связаны химическими силами, действующими на малых расстояниях (единицы А), поэтому происходит их срастание с образованием жесткой объемной структуры. Подобные структуры придают телам такие свойства как прочность, хрупкость и упругость. Для них характерно разрушение без обратимого восстановления структуры

Коагуляционные структуры типичны для свободнодисперсных систем с жидкой дисперсионной средой. Они образуются при коагуляции, соответствующей вторичному минимуму на потенциальной кривой, в результате дальнего межмолекулярного взаимодействия частиц на расстояниях порядка 100 А, т.е. за счет сил Ван-дер-Ваальса. Образованию коагуляционных структур благоприятствует несферическая форма частиц дисперсной фазы и наличие на их поверхности лиофобных участков. Отличительной особенностью подобных систем является существование между частицами дисперсной фазы прослойки дисперсионной среды в виде тонких сольватных оболочек, что обуславливает небольшую прочность и ярко выраженные пластические свойства коагуляционных структур. Такие системы легко разрушаются под воздействием внешних факторов, например под действием ультразвука, при нагревании или при перемешивании.

Некоторые исследователи выделяют промежуточные виды структурной организации твердого вещества, выражающиеся в различном сочетании коагуляционно-кристаллизационных взаимодействий .

Каждому типу структур соответствует свой доминирующий тип контактов срастания (коагуляционный, точечный, фазовый), склонных к взаимным превращениям под действием как внутренних, так и внешних факторов .

Отражением этих взаимодействий являются кинетические кривые структурообразования, характеризующие изменение многочисленных экспериментальных данных как отечественных, так и зарубежных ученых; анализ, проведенный нами в работе , показывает, что многообразие кинетических классов процессов структурообразования может быть сведено к четырем основным типам кинетических кривых (Рис. 2, а, б).

Рис. 2

а - наиболее распространенный вид кривой; б - возможные варианты; 1 - индукционный; 2 - нарастающий; 3 - экстремальный; 4 - волнообразный (колебательный).

Наиболее распространенной из них является сигмоида (а, кривая 1) имеющая, S-образный характер, на которой обычно различают период индукции (А), ускорения (Б) и замедления (В). Такие процессы описываются логической функцией; им, как правило, предшествует индукционный период, в течение которого применяемыми методами не удается обнаружить признаков протекания процесса.

Для коагуляционных структур характерны специфические свойства: тиксотропия и синерезис. Тиксотропия - это способность системы к восстановлению структуры после ее механического разрушения. Разрушение структуры выражается в разрыве контактов между частицами дисперсной среды, а ее тиксотропное восстановление - в возобновлении этих контактов вследствие подвижности среды и броуновского движения частиц. Например, 10%-я суспензия бентонитовой глины представляет собой твердообразное тело, которое не течет под действием силы тяжести. После встряхивания суспензия разжижается и легко вытекает из сосуда. Через определенное время в спокойном состоянии она снова превращается в твердообразную структурированную систему.

Тиксотропия играет большую роль в природе и технике. Присутствие в грунте небольших количеств тиксотропных глин может служить причиной оползней и плывунов. Тиксотропию необходимо учитывать при перекачке суспензий, которые могут затвердевать при возможной остановке насосов. На этом явлении основана также техника применения масляных красок, замазок, пластилина и т.п. Явление противоположное тиксотропии, т.е. возрастание прочности структуры со временем при действии напряжения сдвига, называется реопексией.

Для коагуляционных структур характерно старение во времени, которое проявляется в постепенном упрочнении структуры, ее сжатии и высвобождении части жидкости из структурной сетки, что может привести к своеобразному разделению системы на две фазы: более концентрированный студень и растворитель, содержащий некоторое количество частиц дисперсной фазы. Это явление получило название синерезис.

Наибольший практический интерес представляет изучение зависимости структурно-механических свойств дисперсной системы от концентрации дисперсной фазы. По мере увеличения концентрации системы проходят через ряд состояний - от истинно жидких (золи) через структурированные жидкости, гели, к твердообразным телам. Структурообразование (или старение) в коллоидах происходит вследствие их термодинамической неустойчивости и сопровождается процессом самопроизвольного сцепления частиц и уменьшением поверхности раздела фаз, а, следовательно, снижением свободной поверхностной энергии системы. Протекание этих процессов приводит к потере агрегативной устойчивости и увеличению прочности дисперсной системы.

Рис. 2

Процесс старения коллоидной системы можно представить рисунком 2, согласно которой образование из золя осадка (геля) возможно двумя путями. Первый путь заключается в застудневании - формировании сначала тиксот- ропной, а затем в результате синерезиса, уплотненной структуры. Второй путь приводит к образованию осадка, минуя указанные стадии. Тиксотропная и уплотненная структура, а также осадок являются коагуляционными системами. Гели, образованные из растворов ВМС, называются студнями.

С течением времени сольватные оболочки в местах контакта частиц утончаются и могут совсем исчезнуть. Частицы будут срастаться, образуя конденсационно-кристаллизационные структуры. Возможны случаи, когда подобная структура образуется непосредственно из тиксотропной структуры.

Обычно в коллоидных системах образуются структуры смешанного типа, в которых в первый период преобладают коагуляционные контакты. Постепенно эти связи между частицами упрочняются, и происходит переход к конденсационно-кристаллизационной структуре.

Тела, деформация которых происходит под действием силы тяжести, называются текучими или вязкими. В соответствии с реологическими свойствами все реальные тела принято делить на жидкообразные и твердообраз- ные. Жидкообразные тела текут под воздействием любого внешнего напряжения - необходимое для разрушения структуры напряжение отсутствует, т.е. предел текучести Р Т = 0. Течение - это вид деформации, при котором величина деформации непрерывно увеличивается под действием постоянного давления. Для разрушения структуры твердообразных дисперсных систем и их течения необходимо приложить напряжение, превышающее предел текучести, т.е. Р Т > 0 (см. табл. 1). Для типичных твердообразных тел характерен значительный предел текучести.

Характер образующихся структур определяет структурно-механические свойства системы, в том числе ее вязкость. Вязкостью (или динамической вязкостью,) называют внутреннее трение между слоями данного вещества (жидкости или газа), движущимися относительно друг друга. Вязкость характеризует все виды сопротивления течению тела и однозначно определяет реологические свойства идеальных жидкостей. Вязкость воды при 20,5°С составляет 0.001 Пас или 0.01 П (пуаз). Вязкость газов примерно в пятьдесят раз меньше, чем у воды, а у высоковязких жидкостей - в тысячи раз больше. У твердых тел значения? 10 15 ^10 2 ° Пас. Жидкообразные тела, вязкость которых в соответствии с законом Ньютона (см. табл. 1) не зависит от напряжения сдвига, называют ньютоновскими. Течение неньютоновских жидкостей не описывается уравнением Ньютона.

Величина обратная вязкости - текучесть (Т ) характеризует подвижность жидкообразных тел:

В технологических расчетах также встречается понятие кинематической вязкости:

где p - плотность жидкости.

Величину v более удобно использовать при расчетах гидродинамических критериев течения жидкообразных систем, учет которых необходим для рационального выбора конструкций аппаратов и трубопроводов. Кинематическая вязкость в системе «Си» имеет размерность м /с.

В зависимости от того описывается ли поведение реального тела уравнением Бингама (см. табл. 1), твердообразные системы подразделяются на бингамовские и небингамовские . По реологическим свойствам к бингамов- ским системам очень близки пульпы, шламы, консистентные смазки, зубные пасты, масляные краски, пасты из глины.

Механические свойства дисперсных систем. Раздел «Структурно - механические свойства дисперсных систем. Коллоидные поверхностно–активные вещества

III. Раздел «Структурно - механические свойства дисперсных систем»

Популярные статьи

Последние статьи

Разделы

Страницы

Спецпроекты

Контакты