Дисперсність

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Шкала дисперсності.
Питома поверхня. Ступінь дисперсності. Класифікація
дисперсних систем. Поняття: дисперсна фаза і дисперсійне
середовище. Методи одержання дисперсних систем
Дисперсної називають систему, в якій одна речовина розподілена в середовищі іншого, причому між частинками і дисперсійним середовищем є межа розділу фаз. Дисперсні системи складаються з дисперсної фази і дисперсійного середовища.
Дисперсна фаза - це частинки, розподілені в середовищі. Її ознаки: дисперсність і уривчастість (рис. 1.1.1.1).
Дисперсійне середовище - матеріальне середовище, в якій знаходиться дисперсна фаза. Її ознака - безперервність.
Поверхня розділу фаз характеризується роз'єднаністю і гетерогенністю. Роздробленість характеризується:
1) ступенем дисперсності: , [См -1; м -1], де  S - сумарна міжфазна поверхню або поверхню всіх частинок дисперсної фази; V - обсяг частинок дисперсної фази.
2) дисперсністю - величиною, зворотної мінімального розміру:
[ ; ];
3) питомою поверхнею: , [М 2 / кг; см 2 / г];   де m - маса частинок дисперсної фази.
4) кривизною поверхні: . Для частки неправильної форми ,
де r 1 і r 2 - радіуси кіл при проходженні через поверхню і нормаль до неї в цій точці двох перпендикулярних площин.
Дисперсійне середовище
Дисперсна фаза
Безперервність
Дисперсність
Уривчастість
Поверхня
розділу фаз
Гетерогенність
Роздробленість
dx
dx
dy
dx
dy
dz
"Плівка"
dx à 10 -7 см, dy, dz à 10 -2 см
"Нитка"
dx, dy à 10 -7 см
dz à 10 -2 см
"Суспензія" (золь)
dx, dy, dz 10 -7 см
Розмір тіла по трьох осях, що визначає - мініма-
ний
Ступінь дисперсності D
Р і с. 13 Ізотерма полімолекулярних адсорбції і положення адсорбційних центрів
Питома поверхня S 0
Р і с. 1.1.1.1. Характеристики дисперсної системи
Підпис: ДисперсністьПідпис: ПереривчастістьПідпис: Розмір тіла по трьох осях, що визначає - мініма-нийПідпис: Ступінь дисперсності DПідпис: Р і с. 13 Ізотерма полімолекулярних адсорбції і положення адсорбційних центрівПідпис: Питома поверхня S0


5) розміром тіла по трьох осях, причому визначальним є розмір по тій осі, де він мінімальний. У залежності від розмірів частинок вони мають свої історичні назви (див. рис. 1.1.1.1).
Класифікація дисперсних систем здійснюється за кількома ознаками (рис. 1.1.1.2).

Класифікація дисперсних систем


За дисперсності
По агрегатному сос-дянського дисперсної фази і дисперсійного середовища Оствальда
За структурою
Ліофільні
і ліофобні
грубодисперсні системи, D <10 3 [1/см]
мікрогетерогенні сис-теми, D = 10 3 - 10 5 [1/см]
ультрамікрогетерогенние системи, D = 10 5 - 10 7 [1/см]
Свобод-нодісперсние системи (золь)
Связаннодісперсние системи (холодець)
Р і с. 1.1.1.2. Класифікація дисперсних систем
Підпис: За дисперсностіПідпис: По агрегатному сос-дянського дисперсної фази і дисперсійного середовища ОствальдаПідпис: За структуроюПідпис: Ліофільні і ліофобні


10 -7 10 -5 10 -4 10 -2 d, см
Р і с. 1.1.1.3. Залежність величини питомої поверхні від раз-
меров частинок
Ультрамікрогете-рогенний системи
Грубодисперсні системи
Мікрогетероген-генні системи
S уд

1. За дисперсності розрізняють:
а) грубодисперсні системи, для них D <10 3 [1/см] (рис. 1.1.1.3);
б) мікрогетерогенні системи, для них D = 10 3 - 10 5 [1/см];
в) ультрамікрогетерогенние системи, для них D = 10 5 - 10 7 [1/см].
2. За агрегатним станом дисперсної фази і дисперсійного середовища. Ця класифікація була запропонована Оствальдом (див. табл. 1.1.1.1).
3. За структурою дисперсні системи розрізняють:
1) вільні дисперсні системи, коли частки обох складових системи можуть вільно переміщатися один щодо одного (золь);
2) пов'язані дисперсні системи, коли одна зі складових системи являє собою структуровану систему, тобто частинки фази жорстко пов'язані між собою (холодець, композити).
Таблиця 1.1.1.1
Класифікація за агрегатним станом фаз
Агрегатний стан дисперсної фази
Агрегатний стан дисперсійно-ної середовища
Умовне позначення фаза / середа
Назва системи
Приклади
г
г
г / г
ж / м
тв / г
Аерозолі
атмосфера Землі
ж
г
туман, шаруваті хмари
тв
г
дими, пилу, перисті хмари
г
ж
г / ж
Газові ему-льсіі, піни
газована вода, мильна та пивна піни
ж
ж
ж / ж
Емульсії
молоко, масло вершкове, креми і т.д.
тв
ж
тв / ж
Ліозолі, суспензії
ліофобні колоїдні розчини, суспензії, пасти, фарби і т.д.
г
тв
г / тв
Тверді піни
пемза, пінопласт, активоване вугілля, хліб, пінобетон і т.д.
ж
тв
ж / тв
Тверді емульсії
вода в парафіні, мінерали з рідкими включеннями, пористі тіла в рідині
тв
тв
тв / тв
Тверді золі
сталь, чавун, кольорові скла, дорогоцінні камені
4. За міжфазній взаємодії - ліофільні і ліофобні системи (запропоновано Г. Фрейндліха). Класифікація придатна тільки для систем з рідким дисперсійним середовищем.
Ліофільні системи - у них дисперсна фаза взаємодіє з дисперсійним середовищем і за певних умов здатна в ній розчинятися - розчини колоїдних ПАР, розчини ВМС. Вільна енергія системи D F <0.
D F = D U - TdS; D S змішання> 0;
D U = W ко - W сольва,
де W ко - робота когезії;
W сольва - робота сольватації.
При D U> 0, D U <0 Þ TdS> D U. Ця група характеризується малим значенням поверхневого натягу на межі розділу фаз.
Ліофобні системи - у них дисперсна фаза не здатна взаємодіяти з дисперсійним середовищем і розчинятися в ній. Для них D F> 0. Диспергування в цьому випадку відбувається або за рахунок зовнішньої роботи, або за рахунок інших процесів, що йдуть в системі спонтанно (хімічна реакція) і характеризується високим значенням поверхневого натягу на межі розділу фаз, що відповідає малому значенню енергії сольватації.
Існує дві групи способів одержання дисперсних систем:
1. Способи диспергування полягають у роздробленні тіла до колоїдного стану (борошномельне виробництво).
2. Способи конденсації полягають в укрупненні частинок, атомів, молекул до частинок колоїдних розмірів (хімічна реакція з утворенням осаду).

Молекулярно-кінетичні властивості дисперсних систем
Всі молекулярно-кінетичні властивості викликані хаотичним тепловим рухом молекул дисперсійного середовища, яке складається з поступального, обертального і коливального руху молекул.
Молекули рідкої і газоподібної дисперсійного середовища перебувають у постійному русі і стикаються між собою. Середня відстань, яку проходить молекулою до зіткнення з сусідньою, називають середньою довжиною вільного пробігу. Молекули володіють різною кінетичною енергією. При даній температурі середнє значення кінетичної енергії молекул залишається постійним, складаючи для однієї молекули і одного моля:
; ,
де m - маса однієї молекули;
M - маса одного моля;
v - швидкість руху молекул;
k - константа Больцмана;
R - універсальна газова стала.
Флуктуація значень кінетичної енергії молекул дисперсійного середовища (тобто відхилення від середнього) і є причиною молекулярно-кінетичних властивостей.
Вивчення молекулярно-кінетичних властивостей можливо в результаті застосування статистичних методів дослідження, дійсних для систем, що складаються з безлічі елементів (молекул). Виходячи з припущення про безладності руху окремих молекул, теорія визначає найбільш ймовірне поєднання для систем з безлічі об'єктів. Молекулярно-кінетичні властивості виявляються в рідкій і газоподібному середовищі, молекули яких мають виразно рухливістю.
Броунівський рух
Броунівським називають безперервне, хаотичне, равновероятно для всіх напрямів рух дрібних частинок, зважених у рідинах або газах, за рахунок впливу молекул дисперсійного середовища.
Найдрібніші частинки незначною маси зазнають неоднакові удари з боку молекул дисперсійного середовища, виникає сила, рушійна частку, напрямок і імпульс сили, безперервно змінюються, тому частка робить хаотичні рухи.
F
х

Визначили ці зміни і зв'язали їх з молекулярно-кінетичними властивостями середовища в 1907 році А. Ейнштейн і М. Смолуховський. В основі розрахунку - не істинний шлях частинки дисперсної фази, а зрушення частинок. Якщо шлях частки визначається ламаною лінією, то зсув х характеризує зміну координат частинки за певний відрізок часу. Середній зсув визначає середньоквадратичне зміщення частинки:
,
де х 1, х 2, х i - Зрушення частинок за певний час.
Теорія броунівського руху виходить з уявлення про взаємодію випадкової сили f (t), що характеризує удари молекул, сили F t, що залежить від часу, і сили тертя при русі частинок дисперсної фази в дисперсійному середовищі зі швидкістю v. Рівняння броуровского руху (рівняння Ланжевена) має вигляд: , Де m - маса частинки; h - коефіцієнт в'язкості дисперсійного середовища. Для великих проміжків часу (t>> m / h) інерцією часток (m (dv / d t) можна знехтувати. Після інтегрування рівняння за умови, що середнє твір імпульсів випадкової сили дорівнює нулю, середнє значення флуктуації (середній зсув) дорівнює: , Де t - час; r - радіус частинок дисперсної фази; N A - число Авогадро частинок.
У цій формулі характеризує молекулярно-кінетичні властивості дисперсійного середовища, h - її в'язкість, r - радіус частинок - параметр, що відноситься до дисперсної фазі, а час t визначає взаємодію дисперсійного середовища з дисперсною фазою.
Крім поступального, можливо обертальний броунівський рух для двомірних часток і часток неправильної форми (ниток, волокон, пластівців і т.д.).
Броунівський рух найбільш інтенсивно проявляється у високодисперсних системах (розміри частинок 10 -9 ¸ 10 -7 м), незважаючи на те, що молекули дисперсійного середовища діють також і на частки середньо-та грубодисперсних систем. Але у зв'язку зі значним розміром частинок число ударів молекул різко збільшується. За законами статистики, імпульс дії сил з боку молекул середовища взаємно компенсується, а значна маса і інерція великих часток залишає вплив молекул без наслідків.
Тема 1.1.2. Дифузія
Дифузією називають мимовільне поширення речовини з області з більшою концентрацією в область з меншою концентрацією. Розрізняють такі види дифузії: молекулярну, іонну і колоїдних частинок.
У
V 2
V 1
D х
Р і с. 1.1.2.1. Дифузія частинок в дисперсній системі
Підпис: D х Іонна дифузія пов'язана з мимовільним переміщенням іонів.
Дифузія високодисперсних колоїдних частинок показана на рис. 1.1.2.1. У нижній частині концентрація частинок більше, ніж у верхній, тобто
v 1> v 2 (де , М 3 - чисельна
концентрація часток, N - число частинок дисперсної фази, V д.с. - обсяг дисперсної системи). Дифузія спрямована з області з більшої концентрації в область з меншою концентрацією, тобто знизу вгору (на рис. показано стрілкою). Дифузія характеризується певною швидкістю переміщення речовини через поперечний переріз В, яка дорівнює .
На відстані D х різниця концентрацій складе v 2 - v 1, т к. v 1> v 2, ця величина негативна. Зміна концентрації, віднесене до одиниці відстані, називають градієнтом концентрації або (в діфф. формі) .
Швидкість переміщення речовини пропорційна градієнту концентрації і площі В, через яку відбувається рух дифузійного потоку, тобто
; -
- Основне рівняння дифузії в диференціальній формі.
Швидкість дифузії ( ) Величина позитивна, а градієнт концентрації - Від'ємний.; Тому перед правою частиною рівняння - знак «мінус». Коефіцієнт пропорційності D - це коефіцієнт дифузії. Основне рівняння справедливе для всіх видів дифузії, в т.ч. і для колоїдних частинок. У інтегральної формі воно застосовується для двох процесів - стаціонарного та нестаціонарного:
1) для стаціонарного процесу: = Const. Значне число дифузійних процесів близько до стаціонарним. Інтегруючи , Отримаємо:
;
- I-й закон дифузії Фіка.
Фізичний сенс коефіцієнта дифузії D: якщо - = 1, В = 1 і t = 1, то m = D, тобто коефіцієнт дифузії чисельно дорівнює масі диффундирующего речовини, коли градієнт концентрації, площа перерізу дифузійного потоку і час рівні одиниці. Рівність тільки чисельне, тому що розмірність коефіцієнта дифузії [м 2 / с] не відповідає розмірності маси.
2) для нестаціонарного процесу: ¹ const. Тоді інтегрування основного рівняння з урахуванням зміни градієнта концентрації ускладнюється. При відсутності в середовищі градієнтів температури, тиску, електричного потенціалу з рівняння визначимо масу речовини m 1, що переноситься в результаті дифузії в одиницю часу через одиницю площі поверхні, перпендикулярної напрямку перенесення (В = 1 і t = 1): , З урахуванням якого можна визначити просторово-часовий розподіл концентрації:
- Другий закон Фіка.
На рис. представлена ​​одномірна дифузія, що визначає рух речовини в одному напрямку. Можлива також дво-і тривимірна дифузія речовини (дифузія речовини в двох і трьох напрямках), що описується рівнянням: , Де I - вектор густини дифузійного потоку; grad v - градієнт поля концентрації.
Для тривимірної дифузії, за другим законом Фіка, запишемо: .
Для двовимірної дифузії в правій частині рівняння обмежуємося виразами для х і y.
Значення коефіцієнта дифузії для видів її розподіляються так: іонна - D = 10 -8 м 2 / с; молекулярна - D = 10 -9; колоїдних частинок - D = 10 -10. Звідси видно, що дифузія колоїдних частинок утруднена в порівнянні з двома іншими видами. Так, швидкість дифузії частинок карамелі (дисперсна фаза - колоїдний розчин) в 100 - 1000 разів менше швидкості дифузії молекул цукру (молекулярний розчин). Відповідно в газах D збільшується до 10 -4, у твердих тілах знижується до 10 -12 м 2 / с.
Кількісно дифузія визначається коефіцієнтом дифузії, пов'язаним із середнім зрушенням співвідношенням: ; - Тривалість дифузії.
Дифузія високодисперсних частинок відбувається безладно з більшою вірогідністю в бік меншої концентрації. При виведенні співвідношення прийняті наступні припущення: частинки дисперсної фази рухаються незалежно один від одного, між ними відсутня взаємодія; середня енергія поступальних рухів частинок дорівнює 0,5 kT.
Використовуючи формулу визначення середнього зсуву, коефіцієнт дифузії можна представити у вигляді: (K - константа Больцмана, яка дорівнює ). Якщо D відомий, знайдемо розмір частинок:
; Þ чим ​​більше розмір часток, тим менше коефіцієнт дифузії, менш інтенсивна сама дифузія.
Дифузія в повній мірі проявляється у високодисперсних систем (10 -9 - 10 -7 м), ослаблена у Середньодисперсні (10 -7 - 10 -5 м) і практично відсутня у грубодисперсних систем (> 10 -5 м). Коефіцієнт дифузії залежить і від форми частинок, що не враховано в рівнянні . Тому формула визначає розмір лише колоїдних кулястих частинок (або приведений до кулястому розмір часток неправильної форми).
Тема 1.2.3. Осмотичний тиск
1
2
3
m 1
m 2
Р і с. 1.2.3.1. Схема осмосу: 1 - посудина з розчином; 2 - ємність з розчинником; 3 - напівпроникна мембрана
p, Н
При поділі двох розчинів різної концентрації або розчину і чистого розчинника напівпроникною перегородкою (мембраною) виникає потік розчинника від меншої концентрації до більшої, вирівнює концентрацію. Цей процес називається осмосом.
На схемі (рис. 1.2.3.1) у посудину з напівпроникною перегородкою 3, поміщений розчин 1. Перегородка пропускає дисперсійне середовище (розчинник), але є перешкодою для колоїдних частинок (розчинених речовин). Зовні перегородки - чистий розчинник 2. Концентрація розчину по обидві сторони перегородки різна. Усередині судини 1 частина розчину займають молекули розчиненої речовини (частинки дисперсної фази) Þ концентрація розчинника там менше, ніж у ємності 2 з чистим розчинником.
За рахунок дифузії рідина з області більш високої концентрації переміщається в область меншої концентрації (з ємності 2 в посудину 1). З кінетичної точки зору це обумовлено тим, що кількість ударів молекул про мембрану розчинника з боку чистого або більш розведеного розчину більше, ніж з боку розчину, що і змушує переміщатися розчинник через пори мембрани туди, де його менше (тобто в область розчину).
З термодинамічної точки зору, хімічний потенціал m 2 чистої рідини більше m 1 розчинника в розчині, процес мимовільно йде убік меншого хімічного потенціалу до їх вирівнювання: m 2 = m 1.
У результаті переміщення рідини в ємності 1 створюється надлишковий тиск p, зване осмотичним. Розчинник, що проникає в область розчину 1, піднімає рівень рідини на висоту Н, що компенсує тиск чистого розчинника в бік розчину. Настає момент, коли вага стовпа рідини в області розчину зрівнюється тиском розчинника.
Осмотичний тиск - такий надлишковий тиск над розчином, яке необхідно для виключення перенесення розчинника через мембрану. Осмотичний тиск дорівнює тому тиску, яке проводила б дисперсна фаза (розчинена речовина), якби вона у вигляді газу при тій же температурі займала той же обсяг, що і колоїдна система (розчин)
Осмотичний тиск p досить розбавлених колоїдних розчинів може бути знайдено з рівняння:
або - Рівняння Вант-Гоффа
де m заг / m - маса розчиненої речовини; m - маса однієї частинки, V - об'єм частинки; N A - число Авогадро; Т - абсолютна температура; n - часткова концентрація; k - постійна Больцмана; М - маса одного моля розчиненої речовини; с – массовая концентрация.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат
70.1кб. | скачати

© Усі права захищені
написати до нас