Даниловская Л. П. / Лекция 2. Методы получения дисперсных систем. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов

ЛЕКЦИЯ 2 КХ21

Методы получения дисперсных систем

Рассмотрим методы получения дисперсных систем применительно к коллоидным системам, которые занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами. Поэтому получить их можно двумя противоположными путями. Диспергационный метод основан на раздроблении крупных тел на мелкие частицы требуемой степени дисперсности. Конденсационный метод основан на объединении молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров.

Диспергационный метод - самый простой способ дробления вещества, не требующий никаких усилий, это растворение. Однако таким образом получаются истинные растворы, так как вещество дробится до молекул. Коллоидные растворы образуются при растворении тогда, когда мы имеем дело с природными коллоидами ─ крахмалом, белком, клеем. В этом случае молекулярный раствор будет одновременно и коллоидным, так как молекулы ─ гиганты имеют размеры коллоидных частиц. Это ─ химическое самопроизвольное диспергирование.

Механический метод диспергирования. Чтобы измельчить вещество, нужно затратить определенную работу. При этом энергия расходуется на преодоление межмолекулярных сил и на увеличение поверхности измельчаемого вещества. Полная работа диспергирования (А) прямо пропорциональна вновь образовавшейся поверхности (S): А= кS, где к − коэффициент, зависящий от природы вещества, окружающей среды, метода диспергирования. Например, чтобы распылить 1см³ воды на частицы диаметром 100 нм, нужно затратить 4,2 Дж работы. Дробят тела, используя размалывание, раздавливание, истирание. Применяют различные мельницы.

Шаровая мельница − это полый цилиндр, в котором находятся стальные или фарфоровые шары различного диаметра. Цилиндр с шарами и веществом вращается от электромотора. При движении шаров происходит измельчение вещества до частиц диаметром 50−60 микрон.

Более высокая степень дисперсности − до 0,1микрона может быть получена в коллоидной мельнице с узким зазором между быстро вращающимся ротором и неподвижным корпусом. При этом частицы разрываются или истираются в зазоре. Производительность коллоидных мельниц существенно выше, чем шаровых.

Диспергирование ультразвуком происходит за счет разрывающих усилий. Они возникают в жидкости или твердом теле при прохождении через них ультразвуковых колебаний с частотой более 20 000 Гц в секунду. При этом в системе возникают местные, быстро чередующиеся сжатия и расширения вещества, которые приводят к его разрушению.

Конденсационные методы ─ это те, в основе которых лежат процессы возникновения новой дисперсной фазы путем соединения молекул, атомов, ионов в исходной гомогенной системе. Обязательным условием является пересыщенность исходной системы.

Рассмотрим физическую конденсацию из паров. Исходное вещество находится в паре, а при понижении температуры пар становится пересыщенным и частично конденсируется, образуя жидкую или твердую дисперсную фазу.

Метод замены растворителя основан на изменении состава и свойств дисперсионной среды. При вливании, например, спиртового раствора серы в воду, происходит понижение растворимости серы в новом растворителе ─ воде. Раствор становится пересыщенным и часть серы конденсируется, образуя частицы дисперсной фазы.

Химическая конденсация. Коллоидная система возникает в результате протекания химической реакции. При этой реакции выделяется вещество, образующее новую дисперсную фазу. Такими реакциями являются реакции обмена, гидролиза, окисления и др. Например, в природе распространены процессы окисления и гидролиза гидрокарбоната железа, растворенного в термальных водах. Это происходит при выходе вод в поверхностные зоны грунтов:

4Fе(НСО₃)₂ +О₂ + 2Н₂О 4Fе(ОН)₃ +8СО₂

Получающийся золь (суспензия) гидроксида железа придает красно-коричневую окраску природным водам и является источником ржаво-бурых зон отложений в нижних слоях почвы.

Для того чтобы в ходе реакции образовался коллоидный раствор, а не осадок, необходимо, чтобы скорость образования зародышей кристаллов дисперсной фазы была гораздо выше, чем скорость роста кристаллов. Это условие выполняется обычно тогда, когда концентрированный раствор одного компонента вливается в сильно разбавленный раствор другого компонента при интенсивном перемешивании.

  Вопросы для самоконтроля по теме: 

«Методы получения дисперсных систем».  (Лекция 2)

1. Как называется метод дробления вещества, не требующий никаких усилий?

2. Поясните, можно ли в результате растворения любого вещества получить коллоидный раствор?

3. От каких факторов зависит полная работа при механическом диспергировании?

4. Какой поперечный размер (в нанометрах) имеют частицы вещества при дроблении его: - в  коллоидной мельнице; - в шаровой мельнице?

5. Влияет ли температура на процесс физической конденсации, например, при образовании туманов?

МОЛЕКУЛЯРНО - КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

Рассматриваемые свойства обусловлены самопроизвольным хаотическим и непрерывным, так называемым «тепловым» движением молекул дисперсионной среды. Эти свойства коллоидных растворов проявляются в броуновском движении, диффузии и осмосе.

Броуновское движение – это беспорядочное непрерывное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров, не затухающее во времени. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды. Причиной броуновского движения частиц являются беспорядочные удары со стороны молекул дисперсионной среды, находящихся в тепловом движении. Характер движения частиц дисперсной фазы зависит от их размеров: крупные частицы (3 – 4 микрона), видимые в микроскоп, как бы дрожат, совершая колебания около некоторого центра. Более мелкие частицы колеблются сильнее. Коллоидные частицы беспорядочно перемещаются, при этом они постоянно изменяют направление своего движения.

Молекулы дисперсионной среды, ударяясь о поверхность частиц дисперсной фазы, сообщают им часть своей энергии. Поэтому, если частица достаточно крупная, то удары молекул со всех сторон компенсируются, и  частица как бы «танцует» на месте. Если частица мала, то часть ударов может быть нескомпенсированной. Тогда результирующая сила может вызвать существенное смещение частицы в разные стороны.

Количественной характеристикой броуновского движения принято считать средний сдвиг частицы Dx за время t, т.е. отрезок прямой, соединяющей начальную точку движения (при t = 0) c положением частицы в момент времени t в плоскости горизонтальной проекции, наблюдаемой в микроскоп. Результаты, полученные для частиц различной природы и размеров, показали близкое соответствие измеренных и вычисленных величин среднего сдвига частиц.

Результатом броуновского движения частиц является диффузия  - перемещение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, т. е. выравнивание концентрации вещества по всему объему системы. Равномерное распределение вещества в системе наиболее вероятно, поэтому процесс диффузии является самопроизвольным.

Количество диффундирующего вещества увеличивается с повышением температуры, уменьшением размера частиц и вязкости дисперсионной среды. Скорость диффузии в коллоидных системах в сотни и тысячи раз меньше, чем скорость диффузии молекул в истинных растворах и в газовых смесях. Результаты  экспериментальных исследований скорости диффузии используют для вычисления радиуса частиц, характеризующего дисперсность коллоидной системы.

Хаотическое движение частиц является причиной осмоса. Если коллоидный раствор отделен от чистого растворителя (дисперсионной среды) полупроницаемой мембраной, не пропускающей коллоидные частицы, возникает односторонняя диффузия молекул растворителя в коллоидный раствор, называемая осмосом. Подобно броуновскому движению и диффузии, осмос является процессом самопроизвольным. Переход растворителя в коллоидный раствор будет происходить до тех пор, пока постоянно возрастающее гидростатическое давление раствора не воспрепятствует ему. Это давление называется осмотическим давлением. Осмотическое давление раствора тем выше, чем больше концентрация коллоидных частиц и чем выше температура. Величина осмотического давления достаточно разбавленных коллоидных растворов может быть найдена по уравнению, аналогичному уравнению Вант - Гоффа для осмотического давления истинных растворов. Разница состоит в том, что масса одного моля вещества заменяется массой одной коллоидной частицы. При одной и той же массовой концентрации число частиц (частичная концентрация) в коллоидном растворе значительно меньше, чем число частиц в  истинном растворе. Поэтому осмотическое давление лиофобных золей значительно меньше по сравнению с осмотическим давлением истинных растворов.

Таким образом, рассмотренные молекулярно-кинетические свойства характерны как для истинных, так и для коллоидных растворов, но у последних они выражены значительно слабее.

 Вопросы для самоконтроля  по теме:  МОЛЕКУЛЯРНО - КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ. (Лекция 2)

1. Какие характерные черты имеет  «тепловое» движение молекул дисперсионной среды?

2. От каких факторов зависит интенсивность Броуновского движения? Что является его причиной?

3. Охарактеризуйте явление под названием: диффузия. Как влияют размер частиц, вязкость дисперсионной среды  и температура на скорость диффузии?

4. Относится ли осмос к самопроизвольным явлениям?  Как  связаны концентрация коллоидного раствора и величина его осмотического давления?

5. Для каких растворов, истинных или коллоидных, молекулярно- кинетические явления проявляются значительно слабее? Почему?