Вопрос 2. Очистка и концентрирование дисперсных систем.

Лекция №12

Тема: «Коллоидная химия. Дисперсные системы».

Цель: Рассмотреть понятие о дисперсных системах, классификацию дисперсных систем по аг­регатному состоянию.

Продолжительность: 2 часа

План:

1. Общая характеристика дисперсных систем.

2. Классификация дисперсных систем.

Вопрос 1. Общая характеристика дисперсных систем.

Дисперсные системы — системы, состоящие из множе­ства малых частиц, распределенных в жидкой, твердой или газообразной среде.

К дисперсным системам относят также капиллярно-пористые материалы (почвы, горные породы, спрессованные порошки, поглотители, катализаторы и т. д.). Понятие «дисперсный» происходит от латинского — раздробленный, рассеянный.

Дисперсная фаза—измельченное вещество.

Дисперсионная среда—вещество, в котором распреде­лена дисперсная фаза.

Степень раздробленности вещества дисперсной фазы называют степенью дисперсности. Степень дисперсности математически определяют как величину, обратную раз­меру частицы:

D= 1/а

   где D — степень дисперсности,

   а — размер частицы (диаметр или длина ребра).

   То есть, чем меньше размер частиц, тем больше дис­персность.

Для всех дисперсных систем характерны два основ­ных признака:

1.Высокая дисперсность.

2.Гетерогенность.

Эти признаки полностью определяют свойства и пове­дение дисперсных систем.

Вопрос 2. Классификация дисперсных систем.

I. Классификация по размеру частиц:

По степени дисперсности системы распределяют на типы.

1. Грубодисперсные с радиусом частиц 10^-4-10^-7м.  

  2. Коллоидно-дисперсные (золи) с размером частиц 10^-7-10^{-9 м.}

3. Молекулярные или ионные растворы с размером ча­стиц менее 10^{-9 м.}

1. Грубодисперсные системы. Если дисперсная фаза состоит из твердых частиц, то система называется взвесью, или суспензией. Например, взмученная глина в воде. Если дисперсная фаза представлена капельками жидкости, то её называют эмульсией, например, капли масла в воде, молоко. Эти системы неустойчивы.

2. Коллоидные системы. Частицы коллоидных систем значительно больше молекул (ионов), из которых состоит дисперсная среда, что приводит к наличию поверхности раздела между частицами и средой. Коллоидные частицы не видны в обычный микроскоп, но наблюдаются в ультрамикроскопе и в электронном микроскопе. Коллоиды относительно устойчивы, но со временем они разрушаются. При получении коллоидных систем затрачивается внешняя энергия.

3. Молекулярные или ионные растворы (истинные растворы), В истинных растворах частицы достигают пре-дисперсности. Эти растворы устойчивы, не разрушаются и получаются самопроизвольно.

II. Классификация по агрегатному состоянию фаз:

Каждая из фаз может быть в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твердом. Поэтому возможно существование 8 типов дисперсных систем. Система «газ в газе» не входит в это число, так как является гомогенной (см. табл.).

                                                                                                                            Таблица

Системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями. Системы с жидкой дисперсионной средой — лиозоли. В зависимости от природы жидкости лиозоли делят на гидрозоли (д/свода) и органозоли (д/с — органическая жидкость), которые подразделяют на алкозоли, бензоли, этерозоли и т. д. Дисперсной средой в них являются соответственно спирт, эфир и т. д.

III. Классификация по межфазному взаимодействию

В зависимости от силы межмолекулярного взаимодей­ствия между веществами дисперсной фазы и дисперсной среды дисперсные системы могут быть лиофобными и лиофильными. Лиофильный (греч.) — любящий растворение, лиофобный (греч.) —- боящийся растворения. Для лиофобных систем характерно слабое взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой. Такие системы термодинамически неустойчивы и требуют специальных методов стабилизации. К ним относится большинство дисперсных систем — лиозоли, аэрозоли, пены, Лиофильные золи отличаются сильным взаимодействием веществ фазы и среды с образованием сольватных (гидратных) оболочек молекул дисперсной среды. Эти системы термодинамически устойчивы. Мыла, некоторые глины самопроизвольно образуют коллоидные растворы в воде.

Вопросыдля самопроверки:

1. Что называется дисперсной системой, дисперсной фазой, дисперсионной средой?

2. Какие процессы характерны для дисперсных си­стем?

3. Как связать дисперсность с размером частиц?

4. Что такое удельная поверхность, и как она меня­ется с увеличением дисперсности?

5. Чем объясняется термодинамическая неустойчи­вость дисперсных систем?

6. Какие дисперсные системы относятся к коллоид­ным?

7. Может ли существовать золь этилового спирта в водной среде?

8. Чем отличается лиофобные системы от лиофильных?

Лекция №13

Тема: «Коллоидные растворы (золи) ».

Цель:Изучить методы получения коллоидных систем, свойства колло­идных растворов (золей) на основе    строения их частиц (мицелл). Рассмотреть практическое применение коллоидно-химических свойств и яв­лений в современных методах и технологиях.

Продолжительность: 2 часа

План:

1. Методы получения коллоидных систем.

2. Очистка и концентрирование дисперсных систем.

3. Строение коллоидных частиц.

4. Свойства золей:

4.1. Электрокинетические явления.

4.2. Оптические свойства коллоидных систем.

4.3. Агрегативная и седиментационная устойчивость золей.

Вопрос 1.Методы получения коллоидных систем.

Коллоидные растворы по степени дисперсности занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. Поэтому все методы получения коллоидных систем можно разбить на двеосновные группы:

1) Диспергирование — дробление крупных частиц доколлоидной дисперсности;

2) Конденсация — соединение атомов, ионов или молекул в более крупные частицы   

(агрегаты) коллоидных размеров.

К общим условиям получения коллоидных систем независимо от применяемых методов относятся следующие: 

1) Нерастворимость вещества дисперсной фазы в дис­персной среде;

2) Достижение коллоидной дисперсности частиц дисперсной фазы;

3) Наличие третьего компонента — стабилизатора.

При  соблюдении всех условий синтеза коллоидных систем любое вещество можно получить в коллоидном состоянии. Например, хлорид натрия в бензоле можно получить в коллоидном состоянии, так как он не растворяется в бензоле, а серу — в воде.

Методы диспергирования

Воснове этих методов лежит раздробление твердых тел до частиц коллоидного размера. Процесс раздробления можно осуществить: механическим дроблением, электрическим дроблением и действием ультразвука. Для получения коллоидов механическим дроблением производится растирание и дробление твердых тел в специальных машинах — коллоидных мельницах(рис.1). Частицы вещества, подлежащего диспергированию, в предварительно измельченном виде смешиваются с соответствующей жидкостью, содержащей стабилизирующие добавки, и в виде взвеси в этой жидкости подаются через загрузочное отверстие 1 (см. рис. 1). Действием быстро вращающегося вала с насаженными на нем лопастями 2 жидкость с распределенным в ней диспергируемым ве­ществом приводится в быстрое вращение, в результате чего частицы вещества разбиваются о них на еще более мелкие частицы. Насаженные на вал выступы 3 при вра­щении проходят очень близко от последних, не задевая их. Готовый высоко дисперсный продукт удаляется через выход 4. Диспергирование твердых тел в жидкой среде всегда более эффективно, чем «сухое» дробление, так как жидкости, смачивающие твердое тело, способствуют сни­жению его прочности.

Рис. 1. Схема коллоидной мельницы

Первая коллоидная мельница была сконструирована русским инженером К. Плауссоном (1920).

Метод электрического диспергирования основан на образовании вольтовой дуги между электродами из рас­пыляемого металла, помещенными в охлаждаемую воду. При температуре вольтовой дуги металлы испаряются, а пары конденсируются в холодной жидкости. Этот метод применяют для получения коллоидных растворов золота, серебра, платины и других металлов. Колебания воздуха с большой частотой (10⁵...10⁶ Гц) называется ультразвуковыми волнами, которые образуется благодаря применению пьезоэлектрических осцилляторов. При этом взвесь грубодисперсного вещества дробятся. Этим методом можно получить растворы смол,графита, металлов, крахмала и других веществ, Также условно к методам диспергирования относят пептизации. Он заключается в том, что к рыхлому свежеприготовленному осадку диспергируемого вещества прибавляют раствор электролита (стабилизатора), под действием которого частицы осадка отделяются друг от друга и переходят во взвешенное состояние, образуя золь. В принципе процесс дробления в этом методе не осуществляется, так как частицы осадка уже должны иметь коллоидную дисперсность, а прибавленный электролит — стабилизатор — только придает системе агрегатную устойчивость. Таким методом, например, можно получить красно-коричневый гидрозоль гидроксида железа.

Методы конденсации

  Методы конденсации основаны на создании условий, при которых будущая дисперсная среда пересыщается веществом будущей дисперсной фазы. В зависимости от способов создания этих условий конденсационные методы подразделяют на физические и химические. К физическим методам относятся:

- конденсация пара в газовой фазе, в результате чего образуются аэрозоли — дым,                   туман. Например, об­разование атмосферного тумана за счет конденса­ции влаги воздуха в результате его охлаждения, получение маскировочного дыма при охлаждении паров Р₂О₅;

 - конденсация паров при пропускании их через хо­лодную жидкость, в результате чего образуютсялиозоли - золь ртути в воде, золи благородных металлов;     

- замена растворителя, в результате чего растворенное вещество, оказавшись в иной среде, конденсируется, образуя частицы дисперсной фазы лиозоля,например, помутнение одеколона и духов при действии на них воды,

Химические методы основаны на использовании реак­ций, в результате которых образуются малорастворимые или нерастворимые соединения. Например, образование гидрозоля иодида серебра

AgNО₃ + КI = KNО₃ + AgI

или гидрозоля серы

ЗNа₂S₂О₃ +  Н₂SО₄ = Nа₂SО₄ + Н₂O +4S

В результате протекания подобных реакций в услови­ях малой концентрации реагирующих веществ вместо ожидаемого осадка образуется дисперсная фаза. Такие явления часто вызывают затруднения в аналитической практике.

Вопрос 2. Очистка и концентрирование дисперсных систем.

Для очистки дисперсных систем от растворенных в них веществ Т. Грэм (англ.) предложил воспользоваться способностью мелкопористых пленок (мембран) задержи­вать частички дисперсной фазы и свободно пропускать ионы и молекулы. Этот способ был назван диализом.

Диализ — процесс очистки коллоидных растворов, осно­ванный на свойстве полупроницаемой мембраны пропускать примеси ионов и молекул малых размеров и задерживать коллоидные частицы.

Рис. 2. Схема диализатора (а) и электродиализатора (б)

   Прибор для очистки коллоидов называется диализатором (рис. 2).

  Очищаемую дисперсную систему помещают в сосуд, изготовленный из мелкопористого материала или обладающий мелкопористым дном; сосуд омывается проточной дистиллированной водой. Согласно законам диффузии, ионы и молекулы растворенного вещества, составляющего примесь, проникают через мелкопористый .материал в дистиллированную воду, а частицы дисперсной фазы остаются в дисперсной системе. Скорость диализа мала, но ее можно значительно увеличить, воспользовавшись действием электрического поля на ионы растворенной примеси. Такой метод очистки называют электродиализом.

Электродиализатор — это сосуд, разделенный мембранами на три отсека, из которых средний содержит очищаемую систему, а в крайних размещены электроды и циркулирует жидкость, однородная с веществом дисперсной среды очищаемой системы. В этих условиях при большой разности потенциалов дисперсная система быстро очищается от электролита.

  В настоящее время диализ используют во многих производствах, например, при обработке многих продуктов питания и при вымачивании соленого мяса, рыбы. Электролиз применяется для очистки пищевого желатина, клея, красителей, целлюлозы и других веществ. Особенно эффективен он в медицине. Например, на принципе электродиализа основано действие аппарата «искусственная почка», позволяющая очищать кровь больного от вредных продуктов жизнедеятельности. Этим методом удаля­ют соли из молочной сыворотки, при этом повышается содержание в ней лактозы и белков. Такая сыворотка используется в диетическом питании.

Используя мелкопористые материалы, дисперсные системы можно концентрировать, «продавливая» диспер­сную среду вместе с растворенными в ней веществами через ультрафильтры (полимерные пленки с размером пор 10 ^-6 -10 ^-5 см). Этот метод называется ультрафильтрация.

Ультрафильтрация — процесс отделения дисперсной фазы от дисперсионной среды путем фильтрования коллоидных растворов через полупроницаемые мембраны.

Ультрафильтрация в пищевой промышленности ши­роко применяется для концентрирования белковых, крах­мальных растворов. В производстве таких продуктов, как молоко, молочная сыворотка.

Ультрафильтрационные мембраны отличаются от мел­копористых материалов тем, что каждая пора открыва­ется в сторону низкого давления и любая малая частица проходит через мембрану, тогда как крупные остаются на ее поверхности.

Для отделения дисперсной фазы в золях широко ис­пользуют центрифуги. Методом центрифугирования про­изводится сепарация молока, отделение мелкокристал­лических осадков.