Коллоидная химия

     1. Предмет коллоидной  химии. Какие вопросы  она изучает? 

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

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

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

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

     24. Адсорбция и ее  движущие силы. Объяснение  с точки зрения межмолекулярных сил. 

     Адсорбция (от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю), поглощение количества вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела. Например, если поместить в водный раствор уксусной кислоты кусочек угля, то произойдёт адсорбция — количество кислоты в растворе уменьшится, молекулы кислоты сконцентрируются на поверхности угля. адсорбция и абсорбция — поглощение в объёме тела, объединяются общим термином сорбция. Явление А. тесно связано с особыми свойствами вещества в поверхностном слое. например, молекулы, лежащие на поверхности раздела фаз жидкость — пар, втягиваются внутрь жидкости, т. к. испытывают большее притяжение со стороны молекул, находящихся в объёме жидкости, чем со стороны молекул пара, концентрация которых во много раз меньше концентрации жидкости. Это внутреннее притяжение заставляет поверхность сокращаться и количественно характеризуется поверхностным натяжением. По той же причине молекулы какого-либо другого вещества, оказавшиеся вблизи поверхности, притянутся к ней и произойдёт адсорбция. После адсорбции  внутреннее притяжение частично компенсируется притяжением со стороны адсорбционного слоя и поверхностное натяжение уменьшается. Гиббс вывел формулу, связывающую значение А. с изменением поверхностного натяжения. Т.е. вещества, адсорбция которых сильно уменьшает поверхностное натяжение, принято называть поверхностно-активными.  

       Вещество, на поверхности которого  происходит адсорбция, называется  адсорбентом, а поглощаемое из  объёмной фазы — адсорбатом. В  зависимости от характера взаимодействия  между молекулой адсорбата и адсорбентом адсорбция принято подразделять на физическую адсорбция и хемосорбцию. Менее прочная физическая адсорбция не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах и проявляются в поведении сильно сжатых газов. При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения. Часто адсорбция обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует чёткой границы между физикой адсорбцией и хемосорбцией. 

       Физически адсорбированные молекулы  более или менее свободно перемещаются  по поверхности, при этом их  свойства часто аналогичны свойствам  очень тонкого слоя газа, т.  н. двухмерного газа. Они могут собираться группами, образуя слой двухмерной жидкости или двухмерного твёрдого тела. Адсорбированные молекулы рано или поздно покидают поверхность — десорбируются. Время, в течение которого молекула находится на поверхности, называется временем адсорбции. Времена адсорбции могут колебаться в очень широких пределах. Скоростью адсорбции (соответственно скоростью десорбции) называется количество молекул, адсорбирующихся (или десорбирующихся) за единицу времени, оба значения величин относят к единице поверхности или массы адсорбента. Скорость хемосорбции, как и скорость любого химического процесса, чаще всего увеличивается с повышением. Если скорости адсорбции и десорбции равны друг другу, то говорят, что установилось адсорбционное равновесие. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остаётся постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и др.). 

     46 Молекулярно-кинетические  явления и их  проявления в коллоидных  системах. 

     Согласно  молекулярно-кинетической  теории  все  вещества  состоят   из мельчайших частиц - молекул. Молекулы находятся  в  непрерывном  движении  и взаимодействуют  между  собой.  Молекула  -  наименьшая  частица   вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы  состоят  из  более  простых частиц -  атомов  химически  элементов.  Молекулы  различных  веществ  имеют различный атомный состав. 

         Молекулы   обладают   кинетической   энергией   Wкин   и   одновременно потенциальной энергией взаимодействия Wпот. В газообразном состоянии Wкин  > Wпот. В жидком и твердом состояниях кинетическая энергия частиц  сравнима  с энергией их взаимодействия (Wкин Wпот). 

         Поясним три основных положения  молекулярно - кинетической теории. 

         1. Все вещества состоят из молекул,  т.е.  имеют дискретное  строение,

     молекулы  разделены промежутками. 

         2.  Молекулы  находятся  в   непрерывном   беспорядочном   (хаотическом)

     движении. 

         3. Между молекулами тела существуют  силы взаимодействия. 

         Молекулярно-кинетическая теория  обосновывается многочисленными  опытами и огромным количеством физических явлений. 

         Существование   молекул   блестяще   подтверждается   законом   кратных отношений.  Он  гласит:  "при  образовании  из  двух   элементов   различных соединений  (веществ)  массы  одного  из  элементов  в  разных   соединениях относятся как целые числа, т.е. находятся в кратных  отношениях".  Например, азот и кислород дают пять соединений: N2O, N2O2, N2O3, N2O4, N2O5. В  них  с одним  и  тем  же  количеством  азота  кислород  вступает  в  соединение   в количествах, находящихся между собой в кратных отношениях  1:2:3:4:5.  Закон кратных отношений легко объяснить. Всякое  вещество  состоит  из  одинаковых молекул, имеющих  соответствующий  атомный  состав.  Так  как  все  молекулы данного  вещества  одинаковы,  то  отношение   весовых   количеств   простых элементов, входящих в состав  всего  тела,  такое  же,  как  и  в  отдельной молекуле, и, значит, является кратным атомных весов,  что  и  подтверждается опытом. 

         Наличие  промежутков  между  молекулами  следует,  например  из  опытов смещения различных  жидкостей:  объем  смеси  всегда  меньше  суммы  объемов смешанных жидкостей. 
 

     78. Диспергационные  методы получения дисперсных систем. Работа диспергирования и степень диспергирования. 

     Метод диспергирования. Заключается в  механическом дроблении твердых  тел до заданной дисперсности; диспергирование  ультразвуковыми колебаниями; электрическое  диспергирование под действием  переменного и постоянного тока. Для получения дисперсных систем методом диспергирования широко используют механические аппараты: дробилки, мельницы, ступки, вальцы, краскотерки, встряхиватели. Жидкости распыляются и разбрызгиваются с помощью форсунок, волчков, вращающихся дисков, центрифуг. Диспергирование газов осуществляют главным образом с помощью барботирования их через жидкость. В пенополимерах, пенобетоне, пеногипсе газы получают с помощью веществ, выделяющих газ при повышенной температуре или в химических реакциях.

     Несмотря  на широкое применение диспергационных методов, они не могут быть применимы для получения дисперсных систем с размером частиц -100 нм. Такие системы получают кондесационными методами.

     В основе конденсационных методов  лежит процесс образования дисперсной фазы из веществ, находящихся в молекулярном или ионном состоянии. Необходимое требование при этом методе – создание пересыщенного раствора, из которого должна быть получена коллоидная система. Этого можно достичь при определенных физических или химических условиях.

     Физические  методы конденсации:

     1) охлаждение паров жидкостей или  твердых тел при адиабатическом  расширении или смешивании их  с большим объемом воздуха; 

     2) постепенное удаление (выпаривание)  из раствора растворителя или  замена его другим растворителем,  в котором диспергируемое вещество хуже растворяется.

     Так, к физической конденсации относится  конденсация водяного пара на поверхности  находящихся в воздухе твердых  или жидких частиц, ионов или заряженных молекул (туман, смог).

     Замена  растворителя приводит к образованию  золя в тех случаях, когда к исходному раствору добавляют другую жидкость, которая хорошо смешивается с исходным растворителем, но является плохим растворителем для растворенного вещества.

     Химические  методы конденсации основаны на выполнении различных реакций, в результате которых из пересыщенного раствора осаждается нерастворенное вещество.

     В основе химической конденсации могут  лежать не только обменные, но и окислительно-восстановительные  реакции, гидролиза и т.п.

     Дисперсные  системы можно также получить методом пептизации, который заключается в переводе в коллоидный «раствор» осадков, частицы которых уже имеют коллоидные размеры. Различают следующие виды пептизации: пептизацию промыванием осадка; пептизацию поверхностно – активными веществами; химическую пептизацию.

     Например, свежеприготовленный и быстро промытый осадок гидроксида железа переходит в коллоидный раствор красно-бурого цвета от добавления небольшого количества раствора FeCl₃ (адсорбционная пептизация) или HCl (диссолюция).

     Механизм  образования коллоидных частиц по методу пептизации изучен довольно полно: происходит химическое взаимодействие частиц на поверхности по схеме:

     Далее агрегат  адсорбирует ионы Fe⁺³ или FeO⁺, последующие образуются в результате гидролиза FeCl₃ и ядро мицеллы получает положительный заряд. Формулу мицеллы можно записать в виде:

     или

     С точки зрения термодинамики, наиболее выгодным является метод диспергирования.

     102. Как классифицируются  эмульсии в зависимости от концентрации дисперсной фазы. Как определяется концентрация дисперсной фазы эмульсии? 

     Эмульсиями  называются дисперсные системы, в которых  дисперсионная среда и дисперсная фаза находятся в жидком состоянии. Эмульсии являются обычно грубодисперсными системами. Такие системы часто встречаются в природе, например, молоко, млечный сок каучуконосных растений. В первом случае жир, а во втором - углеводород каучука диспергированы в воде. Оба эти вещества почти совершенно не растворяются в дисперсионной среде т.е. в воде. Таким образом, эмульсии - это микрогетерогенные системы, состоящие из двух практически взаимно-нерастворимых жидкостей, которые очень сильно отличаются от друг-друга по характеру молекул. Если одна из жидкостей является полярной, например вода, то вторая - должна быть неполярной или малополярной, например, органическая жидкость.