Primjeri metoda za dobijanje dispergovanih sistema. Metode za dobijanje disperzovanih sistema, njihova klasifikacija i kratke karakteristike. Koja metoda dobijanja dispergovanih sistema je najkorisnija sa termodinamičke tačke gledišta? Dobijanje dispergovanih sistema korišćenjem konde

Metode za dobijanje dispergovanih sistema

Metode za dobivanje koloidnih otopina također se mogu podijeliti u dvije grupe: kondenzacijske i disperzione metode (metoda peptizacije, o kojoj će biti riječi kasnije, je posebna grupa). Drugi neophodan uslov za dobijanje sola, pored dovođenja veličine čestica na koloidnu, jeste prisustvo u sistemu stabilizatora - supstanci koje sprečavaju proces spontanog uvećanja koloidnih čestica.

Rice. Klasifikacija metoda za proizvodnju disperznih sistema

(tip sistema je naznačen u zagradama)

Metode disperzije

Metode disperzije se zasnivaju na drobljenju čvrstih materija u čestice koloidne veličine i na taj način formiranju koloidnih rastvora. Proces disperzije se provodi različitim metodama: mehaničkim mljevenjem tvari u tzv. koloidni mlinovi, elektrolučno prskanje metala, drobljenje tvari ultrazvukom.

Disperzija mora biti spontana i nespontana. Spontana disperzija je karakteristična za liofilne sisteme i povezana je sa povećanjem poremećaja sistema (kada se iz jednog velikog komada formira mnogo malih čestica). Kada se dispergira na konstantnoj temperaturi, povećanje entropije mora premašiti promjenu entalpije.

Što se tiče liofobnih sistema, spontana disperzija je isključena, stoga je disperzija moguća samo utroškom određene količine rada ili ekvivalentne količine toplote, koja se meri, posebno, entalpijom.

Promjena entalpije u izobarično-izotermnom procesu određena je odnosom između rada kohezije W k i rada adhezije W a. Energija (rad) kohezije W k karakteriše vezu unutar tela, a energija (rad) adhezije W a karakteriše njegovu povezanost sa okolinom.

Energija formiranja nove površine može se izraziti entalpijom, koja ima oblik

Jednačina pokazuje promjenu entalpije koja je rezultat disperzije. Za liofilne sisteme sposobne za spontanu disperziju, kada je ΔS > 0, iz uslova slijedi da je ΔH< 0 и

Ispunjenje ovog uslova znači spontani raspad velikog komada na mnogo malih. Sličan proces je uočen za takve liofilne sisteme kao što su rastvori IUD, čestice gline i neke druge.

Za razliku od liofilnih sistema, kohezija W u liofobnim sistemima povećava energiju međufazne interakcije, ᴛ.ᴇ. adhezija W a. Povećanje entalpije (ΔH > 0) odgovara povećanju Gibbsove energije

ΔH > TΔS; ΔG > 0.

Proces disperzije u ovom slučaju je obično nespontan i odvija se zbog vanjske energije.

Disperziju karakteriše stepen disperzije. Određuje se omjerom veličina početnog proizvoda i čestica dispergirane faze rezultirajućeg sistema. Stepen disperzije se može izraziti na sljedeći način:

α 1 = d n / d k; α 2 = B n / B k; α 3 = V n / V k,

gdje je d n; d to; Bn; B to; V n; Vk - prečnik, površina, zapremina čestica pre i posle disperzije.

Međutim, stepen disperzije mora biti izražen u jedinicama veličine (α 1), površine (α 2) ili zapremine (α 3) čestica dispergovane faze, ᴛ.ᴇ. mora biti linearna, površinska ili volumetrijska.

Rad W potreban za raspršivanje čvrste ili tečne tvari troši se na deformaciju tijela W d i na formiranje nove međufazne površine W a, koja se mjeri radom adhezije. Deformacija je izuzetno važan preduvjet za uništenje tijela. Prema P.A. Rebinderu, rad disperzije je određen formulom

W =W a + W d = σ*ΔB + kV,

gdje je σ* vrijednost proporcionalna ili jednaka površinskom naponu na granici između dispergirane faze i disperzijskog medija; ΔB - povećanje međufaznog interfejsa kao rezultat disperzije; V je volumen originalnog tijela prije disperzije; k je koeficijent ekvivalentan radu deformacije po jedinici zapremine tijela.

Metode kondenzacije

Metode kondenzacije za proizvodnju dispergovanih sistema uključuju kondenzaciju, desublimaciju i kristalizaciju. Οʜᴎ se zasnivaju na formiranju nove faze u uslovima prezasićenog stanja supstance u gasovitom ili tečnom mediju. U ovom slučaju, sistem prelazi iz homogenog u heterogeni. Kondenzacija i desublimacija su karakteristične za gasni medij, a kristalizacija je karakteristična za tečni medij.

Neophodan uslov za kondenzaciju i kristalizaciju je prezasićenost i neravnomerna distribucija supstance u disperzionom mediju (fluktuacija koncentracije), kao i formiranje kondenzacionih centara ili jezgara.

Stepen prezasićenosti β za otopinu i paru može se izraziti na sljedeći način:

β f = s/s s , β P = r/p s ,

gdje su p, c tlak prezasićene pare i koncentracija tvari u prezasićenoj otopini; p s je ravnotežni pritisak zasićene pare na ravnoj površini; c s je ravnotežna koncentracija koja odgovara formiranju nove faze.

Da bi se izvršila kristalizacija, otopina ili mješavina plina se ohladi.

U osnovi kondenzacionih metoda za dobijanje dispergovanih sistema su procesi kristalizacije, desublimacije i kondenzacije, koji su uzrokovani smanjenjem Gibbsove energije (ΔG< 0) и протекают самопроизвольно.

Tokom nukleacije i formiranja čestica iz prezasićenog rastvora ili gasovitog medija, hemijski potencijal µ se menja, pojavljuje se interfejs, koji postaje nosilac viška slobodne površinske energije.

Rad utrošen na formiranje čestica određen je površinskim naponom σ i jednak je

W 1 = 4πr 2 σ,

gdje je 4πr 2 površina sfernih čestica polumjera r.

Hemijski potencijal se mijenja na sljedeći način

Δμ = μ i // – μ i /< 0; μ i // >μ i / ,

gdje su μ i / i μ i // hemijski potencijali homo i heterogenih sistema (kada se kreću od malih kapi do velikih).

Promjena kemijskog potencijala karakterizira prijenos određenog broja molova tvari iz jedne faze u drugu; ovaj broj n molova jednak je volumenu čestice 4πr 3 /3 podijeljenom s molarnom zapreminom Vm

Rad formiranja nove površine tokom procesa kondenzacije W k je jednak

gdje su W 1 i W 2 rad utrošen na formiranje površine čestice, odnosno rad na prijenosu materije iz homogene sredine u heterogenu.

Do stvaranja dispergovanih sistema može doći kao rezultat fizičke i hemijske kondenzacije, kao i prilikom zamene rastvarača.

Fizička kondenzacija nastaje kada se temperatura gasnog medija koji sadrži pare različitih supstanci snizi. Kada su ispunjeni potrebni uslovi, formiraju se čestice ili kapljice dispergirane faze. Sličan proces se odvija ne samo u zapremini gasa, već i na ohlađenoj čvrstoj površini koja je smeštena u toplije gasno okruženje.

Kondenzacija je određena razlikom u hemijskim potencijalima (μ i // – μ i /)< 0, которая изменяется в результате замены растворителя. В отличие от обычной физической конденсации при zamena rastvarača sastav i svojstva disperzijskog medija ne ostaju konstantni. Ako se u vodu sipaju alkoholne ili acetonske otopine sumpora, fosfora, kolofonija i nekih drugih organskih tvari, otopina postaje prezasićena, dolazi do kondenzacije i formiraju se čestice dispergirane faze. Metoda zamjene rastvarača jedna je od rijetkih pomoću kojih se solovi mogu dobiti.

At hemijska kondenzacija formiranje supstance se dešava uz njeno istovremeno prezasićenje i kondenzaciju.

Metode dobijanja DISPERZNIH SISTEMA - pojam i vrste. Klasifikacija i karakteristike kategorije "Metode za dobijanje disperzovanih sistema" 2017, 2018.

1.2. Metode za dobijanje dispergovanih sistema

Postoje dvije poznate metode za proizvodnju disperznih sistema. U jednom od njih se čvrste i tečne supstance fino melju (disperguju) u odgovarajućem disperzionom mediju, u drugom dolazi do stvaranja čestica dispergirane faze iz pojedinačnih molekula ili jona.

Metode za proizvodnju dispergovanih sistema mlevenjem većih čestica nazivaju se disperzivan. Metode zasnovane na formiranju čestica kao rezultat kristalizacije ili kondenzacije nazivaju se kondenzacije.

Metoda disperzije

Ova metoda kombinuje, prije svega, mehaničke metode u kojima se prevladavanje međumolekularnih sila i akumuliranje slobodne površinske energije tokom procesa disperzije događa zbog vanjskog mehaničkog rada na sistemu. Kao rezultat toga, čvrste materije se drobe, bruse, drobe ili cepaju.

U laboratorijskim i industrijskim uslovima, procesi koji se razmatraju izvode se u drobilicama, mlinovima i mlinovima različitih konstrukcija. Kuglični mlinovi su najčešći. To su šuplji rotirajući cilindri u koje se utovaruju drobljeni materijal i čelične ili keramičke kuglice. Kako se cilindar rotira, kuglice se kotrljaju, brišući materijal koji se drobi. Usitnjavanje se također može dogoditi kao rezultat udara lopte. Kuglasti mlinovi proizvode sisteme čije su veličine čestica u prilično širokom rasponu: od 2-3 do 50-70 mikrona. Šuplji cilindar sa kuglicama može se pokrenuti u kružno oscilatorno kretanje, što podstiče intenzivno drobljenje natovarenog materijala pod uticajem složenog kretanja zgnječenih tela. Ovaj uređaj se zove vibracioni mlin.

Finija disperzija postiže se u koloidnim mlinovima različitih konstrukcija, čiji se princip rada zasniva na razvoju sile lomljenja u suspenziji ili emulziji pod uticajem centrifugalne sile u uskom procepu između rotora koji se vrti velikom brzinom i stacionarnog dela. uređaja - statora. Viseće velike čestice doživljavaju značajnu silu loma i na taj način se raspršuju.

Može se postići visoka disperzija ultrazvučna disperzija. Disperzivni učinak ultrazvuka povezan je s kavitacijom - stvaranjem i kolapsom šupljine u tekućini. Lupanje šupljina je praćeno pojavom kavitacionih udarnih talasa, koji uništavaju materijal. Eksperimentalno je utvrđeno da disperzija direktno zavisi od frekvencije ultrazvučnih vibracija. Ultrazvučna disperzija je posebno efikasna ako je materijal prethodno fino samljeven. Emulzije dobijene ultrazvučnom metodom karakterizira ujednačena veličina čestica dispergirane faze.

Prilikom drobljenja i mljevenja materijali se uništavaju, prije svega, na mjestima nedostataka čvrstoće (makro- i mikropukotine). Stoga, kako mljevenje napreduje, jačina čestica se povećava, što se obično koristi za stvaranje jačih materijala. Istovremeno, povećanje čvrstoće materijala prilikom njihovog drobljenja dovodi do velike potrošnje energije za dalju disperziju. Uništavanje materijala može se olakšati upotrebom Rebinder efekta - adsorpciono smanjenje čvrstoće čvrstih materija. Ovaj efekat je smanjenje površinske energije uz pomoć surfaktanata, što rezultira lakšom deformacijom i uništavanjem čvrste materije. Reduktore tvrdoće karakteriziraju male količine koje uzrokuju Rebinder efekat i specifičnost djelovanja. Aditivi koji vlažu materijal pomažu mediju da prodre u defekte i, uz pomoć kapilarnih sila, olakšavaju i uništavanje čvrste materije. Surfaktanti ne samo da doprinose razaranju materijala, već i stabilizuju dispergovano stanje, jer pokrivanjem površine čestica sprečavaju njihovo ponovno lepljenje. Ovo također pomaže u postizanju visoko raspršenog stanja.

Obično nije moguće postići visoku disperznost metodom disperzije. Disperzni sistemi dobijeni disperzionim metodama su brašno, mekinje, tijesto, šećer u prahu, kakao (zrna, prah), čokolada, praline, marcipan mase, voćni i bobičasti pirei, suspenzije, emulzije, pjenaste mase.

Metoda kondenzacije

Metoda kondenzacije zasniva se na procesima nastanka heterogene faze iz homogenog sistema kombinovanjem molekula, jona ili atoma. Pravi se razlika između hemijske i fizičke kondenzacije.

Hemijska kondenzacija se zasniva na oslobađanju slabo rastvorljive supstance kao rezultat hemijske reakcije. Za dobijanje nove faze koloidnog stepena disperzije neophodni su višak jednog od reagensa, upotreba razblaženih rastvora i prisustvo stabilizatora u sistemu.

Tokom fizičke kondenzacije, nova faza se formira u gasovitom ili tečnom mediju u uslovima prezasićenog stanja supstance. Kondenzacija podrazumeva stvaranje nove faze na postojećim površinama (stidovi posude, čestice stranih materija - kondenzaciona jezgra) ili na površini jezgara koje nastaju spontano kao rezultat fluktuacija gustine i koncentracije supstance u sistemu. . U prvom slučaju, kondenzacija se naziva heterogena, u drugom - homogena. U pravilu dolazi do kondenzacije na površini kondenzacijskih jezgara ili jezgri vrlo malih veličina, pa je reaktivnost kondenzirane tvari veća od makrofaza u skladu s Kelvinovom jednačinom kapilarne kondenzacije. Dakle, da se kondenzovana supstanca ne bi vratila u prvobitnu fazu i da bi se kondenzacija nastavila, mora doći do prezasićenja u sistemu.

1.3. Klasifikacija disperznih sistema

Disperzovani sistemi se klasifikuju prema sledećim kriterijumima:

stepen disperzije;

stanje agregacije dispergovane faze i disperzione sredine;

strukturna i mehanička svojstva;

priroda interakcije između dispergirane faze i disperzijskog medija.

Klasifikacija prema stepenu disperzije

U zavisnosti od veličine čestica razlikuju se visoko dispergovani, srednje dispergovani i grubo dispergovani sistemi (tabela 1.1).

Tabela 1.1

	čestice, m	Disperznost
Visoko raspršen (koloidni sistemi)			hidrosoli, aerosoli
Srednje raspršen			Instant kafa, šećer u prahu
Gruba	Više od 10 -5
Prava rješenja	Manje od 10 -9

Specifična površina čestica dispergovane faze je maksimalna u visoko dispergovanim sistemima pri prelasku na srednje i grubo dispergovane sisteme, specifična površina se smanjuje (slika 1.3). Kada je veličina čestice manja od 10 -9 m, granica između čestice i medija nestaje i nastaju molekularni ili jonski rastvori (pravi rastvori).

Na osnovu veličine čestica dispergirane faze, jedan te isti proizvod može pripadati različitim disperznim sistemima. Na primjer, čestice vrhunskog pšeničnog brašna imaju veličinu (1-30)10-6 m, odnosno brašno ovog razreda istovremeno pripada srednje-disperznom i grubom sistemu.

Klasifikacija prema stanju agregacije

Disperzovana faza i disperzioni medij mogu biti u bilo kojem od tri agregatna stanja: čvrsto (S), tečno (L) i gasovito (G).

Svaki disperzni sistem ima svoju oznaku i naziv: brojilac označava agregatno stanje dispergirane faze, a nazivnik disperzioni medij. Moguće je osam opcija za dispergovane sisteme (tabela 1.2), pošto H/H sistem ne može biti heterogen.

Uopšteno govoreći, svi visoko dispergovani koloidni sistemi nazivaju se sols. Prefiks se dodaje riječi sol za karakterizaciju disperzijskog medija. Ako je disperzioni medij čvrst – kserosoli, tečnost – liosoli(hidrosoli), gas – aerosoli.

Pored jednostavnih disperznih sistema, postoje i složeni disperzni sistemi koji se sastoje od tri ili više faza.

Na primjer, tijesto nakon gnječenja je složen disperzni sistem koji se sastoji od čvrste, tečne i gasovite faze. Može se predstaviti kao sistem tipa T, G, F/T. Zrna škroba, čestice ljuske zrna i nabubreli nerastvorljivi proteini čine čvrstu fazu. Mineralne i organske supstance (proteini rastvorljivi u vodi, dekstrini, šećeri, soli, itd.) rastvoreni su u nevezanoj vodi. Neki od proteina koji neograničeno bubre stvaraju koloidne otopine. Masnoća prisutna u testu je u obliku kapljica. Gasovito okruženje nastaje zbog hvatanja mjehurića zraka tokom gnječenja i tokom procesa fermentacije.

Disperzioni medij čokoladne mase je kakao puter, a dispergovanu fazu čine čestice šećera u prahu i kakao mase, odnosno čokoladna masa bez punila je složeni disperzni sistem T, T/F.

Kompleksni disperzni sistemi uključuju industrijske aerosole (smog), koji se sastoje od čvrstih i tečnih faza raspoređenih u gasovitom okruženju.

Tabela 1.2

Disperzivno	Raspršena	Raspršena	naziv sistema,
			Koloidno stanje je nemoguće
			Tečni aerosoli: magla, dezodorans
			Čvrsti aerosoli, praškovi: prašina, dim, šećer u prahu, kakao prah, mleko u prahu
			Pjene, plinske emulzije: gazirana voda, pivo, pjena (pivo, sapun)
			Emulzije: mleko, majonez
			Solovi, suspenzije: metalni rastvori, prirodni rezervoari, kakao masa, senf
			Čvrste pjene: plovućac, stiropor, sir, kruh, gazirana čokolada, marshmallows
			Kapilarni sistemi: ulje, voćna punjenja
			Metalne legure, drago kamenje

Klasifikacija prema strukturnim i mehaničkim svojstvima

Razlikovati slobodno raspršena I kohezivno raspršeni sistema.

U slobodno dispergovanim sistemima čestice dispergovane faze nisu međusobno povezane i slobodno se kreću po celoj zapremini sistema (liosoli, razblažene suspenzije i emulzije, aerosoli, skoro svi rasuti prahovi itd.).

U kohezivno dispergovanim sistemima čestice dispergovane faze dodiruju jedna drugu, formirajući okvir koji ovim sistemima daje strukturna i mehanička svojstva – čvrstoću, elastičnost, plastičnost (gelovi, žele, čvrste pene, koncentrisane emulzije itd.). Kohezivno dispergovane prehrambene mase mogu biti u obliku poluproizvoda (tijesto, mljeveno meso) ili gotovih prehrambenih proizvoda (svježi sir, puter, halva, marmelada, topljeni sir i dr.).

Klasifikacija po prirodi interakcije

disperzovana faza i disperzioni medij

Svi disperzni sistemi čine dvije velike grupe – liofilne i liofobne:

Liofilni (hidrofilna) dispergovane sisteme karakteriše značajna prevlast sila površinske interakcije dispergovane i dispergovane faze nad silama kohezije. Drugim riječima, ovi sistemi se odlikuju visokim afinitetom dispergirane faze i disperzijskog medija i, posljedično, niskim vrijednostima površinske energije. G pov Nastaju spontano i termodinamički su stabilni. Svojstva liofilnih disperznih sistema mogu se pokazati rastvorima koloidnih tenzida (sapuni), rastvorima jedinjenja velike molekulske mase (proteini, polisaharidi), kritičnim emulzijama, mikroemulzijama i nekim solima.

Liofobična (hidrofobna) – sistemi u kojima je međumolekularna interakcija između čestice i medija mala. Takvi sistemi se smatraju termodinamički nestabilnim. Za njihovo formiranje potrebni su određeni uvjeti i vanjski utjecaj. Da bi se povećala stabilnost, u njih se uvode stabilizatori. Većina sistema za disperziju hrane je liofobna.

Pitanja i zadaci za učvršćivanje gradiva

Navedite karakteristične karakteristike disperznih sistema. Šta je disperzna faza i disperzioni medij u sledećim sistemima: mleko, hleb, majonez, puter, testo?

Koji parametri karakterišu stepen fragmentacije disperznih sistema? Kako se specifična površina mijenja kada se disperzna faza drobi?

Izračunajte specifičnu površinu (u m2/m3) kubnih kristala šećera sa dužinom ivice od 210 -3 m.

Prečnik kapljica ulja u umacima zavisi od načina njihove pripreme. Kod ručnog mućkanja iznosi 210 -5 m, a kod mašinskog miješanja - 410 -6 m Odrediti disperziju i specifičnu površinu (m 2 /m 3) kapljica ulja za svaki slučaj. Izvucite zaključak o uticaju veličine čestica na specifičnu površinu.

Odredite specifičnu površinu masnih kuglica i njihovu količinu u 1 kg mlijeka sa sadržajem masti od 3,2%. Prečnik masnih kuglica je 8,510 -7 m, gustina mlečne masti
900 kg/m3.

Šta je uzrok viška površinske energije?

Šta je površinska napetost? U kojim jedinicama se mjeri? Navedite faktore koji utječu na površinsku napetost.

Koje su poznate metode za proizvodnju disperznih sistema?

Po kojim kriterijumima se klasifikuju disperzni sistemi? Dajte klasifikaciju disperznih sistema prema stepenu disperzije i stanju agregacije faza.

Na osnovu čega se dispergovani sistemi dijele na liofobne i liofilne? Koja svojstva imaju ovi sistemi? Navedite primjere.

Poglavlje2 . LIOFILIZOVANI DISPERZNI SISTEMI

Najčešći i najšire korišćeni liofilni sistemi u prehrambenoj industriji su rastvori koloidnih tenzida i visokomolekulskih jedinjenja.

2.1. Otopine koloidnih tenzida

Koloidno su surfaktanti sposobni da formiraju micele u rastvorima (od latinskog mica - mali) - saradnici koji se sastoje od velikog broja molekula (od 20 do 100). Surfaktanti sa dugim lancem ugljikovodika koji sadrže 10-20 atoma ugljika imaju sposobnost formiranja micela.

Zbog visokog stepena povezanosti molekula između micele i disperzijskog medija, pojavljuje se interfejs,
micelarni surfaktantni rastvori su heterogeni sistemi. Ali, uprkos heterogenosti i velikoj međufaznoj površini, oni su termodinamički stabilni. To je zbog činjenice da su molekule surfaktanta u micelama orijentirane polarnim grupama prema polarnom mediju, što uzrokuje nisku međufaznu napetost. Stoga je površinska energija ovakvih sistema niska; to su tipični liofilni sistemi.

2.1.1. Klasifikacija koloidnih tenzida

po polarnim grupama

Prema klasifikaciji usvojenoj na III međunarodnom kongresu o površinski aktivnim tvarima i preporučenoj od strane Međunarodne organizacije za standardizaciju (ISO) 1960. godine, koloidne površinski aktivne tvari dijele se na anjonske, katjonske, nejonske i amfoterne. Ponekad se izoluju i visokomolekularni (polimerni), perfluorirani i organosilicijumski surfaktanti, međutim, na osnovu hemijske prirode molekula, ovi surfaktanti se mogu svrstati u jednu od gore navedenih klasa.

Anionski surfaktanti sadrže jednu ili više polarnih grupa u molekuli i disociraju u vodenoj otopini kako bi formirali dugolančane anione, koji određuju njihovu površinsku aktivnost. Oni su bolji od svih ostalih grupa surfaktanata u uklanjanju prljavštine sa kontaktnih površina, što određuje njihovu upotrebu u raznim deterdžentima.

Polarne grupe u anionskim tenzidima su karboksil, sulfat, sulfonat i fosfat.

Velika grupa anjonskih surfaktanata su derivati ​​karboksilnih kiselina (sapuni). Najvažnije su soli alkalnih metala zasićenih i nezasićenih masnih kiselina sa brojem atoma ugljika 12-18, dobijene iz životinjskih masti ili biljnih ulja. Kada se koriste u optimalnim uslovima, sapuni su idealni surfaktanti. Njihov glavni nedostatak je osjetljivost na tvrdu vodu, što je odredilo potrebu za stvaranjem sintetičkih anjonskih surfaktanata - alkilsulfonata, alkilbenzensulfonata itd.

Anionske supstance čine većinu svjetske proizvodnje surfaktanata. Glavni razlog popularnosti ovih surfaktanata je njihova jednostavnost i niski troškovi proizvodnje.

Kationski su surfaktanti čije molekule disociraju u vodenom rastvoru da bi formirale kation tenzida sa dugim hidrofobnim lancem i anjon - obično halid, ponekad anjon sumporne ili fosforne kiseline. To uključuje amine različitog stepena supstitucije, kvaternarne amonijum baze i druge baze koje sadrže azot, kvaternarne fosfonijumske i tercijarne sulfonijumske baze. Kationski tenzidi ne smanjuju površinski napon toliko kao anionski, ali imaju dobru sposobnost adsorpcije na negativno nabijenim površinama - metali, minerali, plastika, vlakna, ćelijske membrane, što je odredilo njihovu upotrebu kao antikorozivnih i antistatičkih sredstava, disperzanta, regeneratori, baktericidni i aditivi koji smanjuju zgrušavanje gnojiva.

Nejonski surfaktanti ne disociraju na jone u vodi. Njihova rastvorljivost je posledica prisustva u molekulima hidrofilnog etera i hidroksilnih grupa, najčešće lanca polietilen glikola. Ovo je klasa surfaktanata koja najviše obećava i koja se brzo razvija.

Nejonski tenzidi, u odnosu na anionske i kationske, manje su osjetljivi na soli koje uzrokuju tvrdoću vode. Ova vrsta surfaktanta čini deterdžent mekim, sigurnim i ekološki prihvatljivim (biorazgradivost nejonskih tenzida je 100%). Nejonski surfaktanti postoje samo u obliku tečnosti ili paste, pa se stoga ne mogu nalaziti u čvrstim deterdžentima (sapuni, prašci).

Amfoterni (amfolitički) surfaktanti sadrže obje vrste grupa u molekulu: kiselu (najčešće karboksilnu) i bazičnu (obično amino grupu različitog stupnja supstitucije). Ovisno o pH okoline, pokazuju svojstva kao kationski surfaktanti (pri pH< 4), так и анионактивных (при рН 9-12). При
pH 4-9 mogu se ponašati kao nejonska jedinjenja.

Ova vrsta surfaktanta uključuje mnoge prirodne supstance, uključujući aminokiseline i proteine.

Amfoterni tenzidi odlikuju se vrlo dobrim dermatološkim svojstvima, omekšavaju djelovanje anjonskih sastojaka za čišćenje, te se stoga često koriste u visokokvalitetnim šamponima i kozmetici.

Više detalja o klasifikaciji surfaktanata i glavnim predstavnicima svake klase možete pronaći u.

2.1.2. Kritična koncentracija micela.
Struktura i svojstva micela surfaktanta. Solubilizacija

Koncentracija surfaktanta pri kojoj se micele pojavljuju u otopini naziva se kritična koncentracija micela(KKM). Struktura i svojstva micela surfaktanta određuju se intermolekularnim interakcijama između komponenti sistema.

Većina eksperimentalnih podataka ukazuje da su u blizini CMC u vodenim otopinama micele sferne formacije i u slučaju kationskih i anionskih aktivnih i neionskih tenzida. Kada se micele formiraju u polarnom otapalu, na primjer, vodi, ugljikovodični lanci molekula surfaktanta se spajaju u kompaktno jezgro, a hidratizirane polarne grupe okrenute prema vodenoj fazi formiraju hidrofilnu ljusku (slika 2.1, A). Promjer takve micele jednak je dvostrukoj dužini molekula surfaktanta, a agregacijski broj (broj molekula u miceli) kreće se od 30 do 2000 molekula. Privlačne sile ugljikovodičnih dijelova molekula surfaktanta u vodi mogu se identificirati s hidrofobnim interakcijama; odbijanje polarnih grupa ograničava rast micela. U nepolarnim otapalima, orijentacija molekula surfaktanta je suprotna, tj. ugljikovodični radikal je okrenut prema nepolarnoj tekućini (slika 2.1, b).

Postoji dinamička ravnoteža između molekula surfaktanta u adsorpcionom sloju i u rastvoru, kao i između molekula surfaktanta uključenih u micele (slika 2.2).

Oblik micela i njihove veličine se ne mijenjaju u prilično širokom rasponu koncentracija. Međutim, s povećanjem sadržaja surfaktanta u otopini, počinje se pojavljivati ​​interakcija između micela i pri koncentracijama koje prelaze CMC za 10 ili više puta, one postaju veće, prvo formirajući cilindrične micele, a zatim pri višim koncentracijama - štapićaste, diskaste. i micele u obliku ploča sa izraženom anizometrijom. Pri još većim koncentracijama surfaktanata u otopinama, pojavljuju se prostorne mreže i sistem postaje strukturiran.

CMC vrijednost je najvažnija karakteristika surfaktanta, ovisno o mnogim faktorima: dužini i stupnju grananja ugljikovodičnih radikala, prisutnosti nečistoća, pH otopine, omjeru između hidrofilnih i hidrofobnih svojstava surfaktanta . Što je ugljikovodični radikal duži i što je polarna grupa slabija, to je niža vrijednost CMC. Kada je koncentracija surfaktanta viša od kritične koja odgovara CMC-u, fizikalno-hemijska svojstva se naglo mijenjaju, a na krivulji svojstava i sastava pojavljuje se pregib. Stoga se većina metoda za određivanje CMC zasniva na mjerenju bilo kojeg fizičko-hemijskog svojstva - površinske napetosti, električne provodljivosti, indeksa prelamanja, osmotskog pritiska, itd. - i utvrđivanju koncentracije pri kojoj se uočava oštra promjena ovog svojstva.

Dakle, izoterme površinskog napona  rastvori koloidnih tenzida, umesto uobičajenog glatkog kretanja opisanog jednačinom Šiškovskog, u CMC se detektuje pregib (slika 2.3). Daljnjim povećanjem koncentracije iznad CMC-a, vrijednosti površinske napetosti ostaju praktički nepromijenjene.

Krivulja specifične električne provodljivosti æ u odnosu na koncentraciju With jonski koloidni surfaktanti sa CMC ima oštar prekid (slika 2.4).

Jedno od karakterističnih svojstava rastvora koloidnih surfaktanata povezano sa njihovom micelarnom strukturom je solubilizacija– rastvaranje u rastvorima koloidnih tenzida supstanci koje su obično nerastvorljive u datoj tečnosti. Mehanizam solubilizacije sastoji se u prodiranju nepolarnih molekula tvari koje se dodaju otopini surfaktanta u nepolarno jezgro micele (slika 2.5), ili obrnuto. U ovom slučaju, ugljikovodični lanci p razmaknuti, a volumen micele se povećava. Kao rezultat solubilizacije, ugljikovodične tekućine se otapaju u vodenim otopinama surfaktanata: benzin, kerozin, kao i masti koje su netopive u vodi. Žučne soli – natrijum holat i natrijum deoksiholat, koji rastvaraju i emulguju masti u crevima – imaju izuzetno veliku solubilizirajuću aktivnost.

Solubilizacija je važan faktor u deterdžentskom dejstvu surfaktanata. Tipično, čestice zagađivača su hidrofobne i ne vlaže ih voda. Zbog toga je čak i pri visokim temperaturama učinak čišćenja vode vrlo mali i dodaju se koloidni tenzidi da bi ga povećali. Kada deterdžent dođe u kontakt sa kontaminiranom površinom, molekuli surfaktanta formiraju adsorpcijski sloj na česticama prljavštine i površini koja se čisti. Molekule surfaktanta postepeno prodiru između čestica prljavštine i površine, pospješujući odvajanje čestica prljavštine (slika 2.6). Zagađivač ulazi u micelu i više se ne može taložiti na površini koju treba oprati.

Postoje dvije poznate metode za proizvodnju disperznih sistema. U jednom od njih se čvrste i tečne supstance fino melju (disperguju) u odgovarajućem disperzionom mediju, u drugom dolazi do stvaranja čestica disperzione faze iz pojedinačnih molekula ili jona.

Metode za proizvodnju dispergovanih sistema mlevenjem većih čestica nazivaju se disperzivnim. Metode zasnovane na formiranju čestica kao rezultat kristalizacije ili kondenzacije nazivaju se kondenzacijom.

Metode disperzije

Ova grupa metoda kombinuje, pre svega, mehaničke metode u kojima se prevazilaženje međumolekularnih sila i akumuliranje slobodne površinske energije tokom procesa disperzije dešava usled spoljašnjeg mehaničkog rada na sistemu. Kao rezultat toga, čvrsta tijela se drobe, bruse, drobe ili cijepaju, što je tipično ne samo za laboratorijske ili industrijske uvjete, već i za procese disperzije koji se dešavaju u prirodi (rezultat drobljenja i abrazije tvrdih stijena pod djelovanjem surfanja). sile, plime i oseke, procesi trošenja i ispiranja itd.).

U laboratorijskim i industrijskim uslovima, procesi koji se razmatraju izvode se u drobilicama, mlinovima i mlinovima različitih konstrukcija. Kuglični mlinovi su najčešći. To su šuplji rotirajući cilindri u koje se utovaruju drobljeni materijal i čelične ili keramičke kuglice. Kako se cilindar rotira, kuglice se kotrljaju, brišući materijal koji se drobi. Usitnjavanje se također može dogoditi kao rezultat udara lopte. Kuglasti mlinovi proizvode sisteme čije su veličine čestica u prilično širokom rasponu: od 2 - 3 do 50 - 70 mikrona. Šuplji cilindar sa kuglicama može se pokrenuti u kružno oscilatorno kretanje, što pospješuje intenzivno drobljenje opterećenog materijala pod djelovanjem složenog kretanja tijela za mljevenje. Ovaj uređaj se zove vibracioni mlin.

Finija disperzija postiže se u koloidnim mlinovima različitih konstrukcija, čiji se princip rada zasniva na razvoju sile lomljenja u suspenziji ili emulziji pod uticajem centrifugalne sile u uskom procepu između rotora koji se vrti velikom brzinom i stacionarnog dela. uređaja - statora. Viseće velike čestice doživljavaju značajnu silu loma i na taj način se raspršuju. Tip koloidnog mlina koji se danas široko koristi prikazan je na Sl. 1 (vidi dodatak). Ovaj mlin se sastoji od rotora, koji je konusni disk 1, koji se nalazi na osovini 2, i statora 3. Rotor se pokreće u rotaciju pomoću posebnog vertikalno postavljenog motora, koji obično radi oko 9000 o/min. Radne površine rotora i statora 4 su međusobno brušene, a debljina razmaka između njih je oko 0,05 mm. Gruba suspenzija se ulijeva u mlin kroz cijev 5 ispod rotacionog diska centrifugalnom silom razvijenom kao rezultat rotacije rotora, gura se kroz prorez i zatim se uklanja iz mlina kroz cijev 6. Kada tečnost prođe u U obliku tankog filma kroz prorez, čestice suspendovane u tečnosti doživljavaju značajne sile smicanja i bivaju drobljene. Stepen disperzije rezultujućeg sistema zavisi od debljine zazora i brzine rotacije rotora: što je zazor manji i što je veća brzina, to je veća sila smicanja, a samim tim i veća disperzija.

Visoka disperzija se može postići ultrazvučnom disperzijom. Disperzivni efekat ultrazvuka povezan je sa kavitacijom - stvaranjem i zapljuskivanjem šupljina u tečnosti. Lupanje šupljina je praćeno pojavom kavitacionih udarnih talasa, koji uništavaju materijal. Eksperimentalno je utvrđeno da disperzija direktno zavisi od frekvencije ultrazvučnih vibracija. Ultrazvučna disperzija je posebno efikasna ako je materijal prethodno fino samljeven. Emulzije dobivene ultrazvučnom metodom odlikuju se ujednačenošću veličine čestica dispergirane faze.

Disperzivne metode za proizvodnju sola uključuju Bredigovu metodu, koja se zasniva na formiranju naponskog luka između elektroda dispergovanog metala postavljenog u vodu. Suština metode je prskanje metala elektrode u luku, kao i kondenzacija metalnih para koje nastaju pri visokim temperaturama. Dakle, električna metoda kombinira karakteristike disperzijske i kondenzacijske metode. Metodu elektrospreja predložio je Bredig 1898. Bredig je uključio ampermetar, reostat i dvije disperzibilne metalne elektrode u kolu jednosmjerne struje snage 5-10 A i napona 30-110 V. Potopio je elektrode u posudu s vodom, spolja ohlađenu ledom. Šematska struktura uređaja koji koristi Bredig prikazana je na Sl. 2 (vidi dodatak). Kada struja prolazi kroz elektrode između njih pod vodom, nastaje naponski luk. U tom slučaju u blizini elektroda nastaje oblak visoko raspršenog metala. Da bi se dobili stabilniji solovi, preporučljivo je uvesti tragove stabilizirajućih elektrolita, kao što su hidroksidi alkalnih metala, u vodu u koju su elektrode uronjene.

Općenitija je Svedbergova metoda, koja koristi visokonaponsko oscilatorno pražnjenje, što uzrokuje da iskra skoči između elektroda. Ova metoda se može koristiti za dobivanje ne samo hidrosola, već i organosola različitih metala.

Prilikom drobljenja i mljevenja materijali se uništavaju prvenstveno na mjestima oštećenja čvrstoće (makro- i mikropukotine). Stoga, kako mljevenje napreduje, jačina čestica se povećava, što se obično koristi za stvaranje jačih materijala. Istovremeno, povećanje čvrstoće materijala prilikom njihovog drobljenja dovodi do velike potrošnje energije za dalju disperziju. Uništavanje materijala može se olakšati korištenjem Rehbinderovog efekta - adsorpcionog smanjenja čvrstoće čvrstih tvari. Ovaj efekat se sastoji u smanjenju površinske energije uz pomoć surfaktanata, što rezultira lakšom deformacijom i uništavanjem čvrste materije. Kao takvi surfaktanti, u ovom slučaju nazvani reduktori tvrdoće, mogu se koristiti, na primjer, tekući metali za uništavanje čvrstih metala, organske tvari za smanjenje čvrstoće organskih monokristala. Reduktore tvrdoće karakteriziraju male količine koje izazivaju Rebinder efekat i specifičnost djelovanja. Aditivi koji vlažu materijal pomažu mediju da prodre u defekte i, uz pomoć kapilarnih sila, olakšavaju i uništavanje čvrste materije. Surfaktanti ne samo da doprinose razaranju materijala, već i stabilizuju dispergovano stanje, jer pokrivanjem površine čestica sprečavaju njihovo ponovno lepljenje ili spajanje (za tečnosti). Ovo također pomaže u postizanju visoko raspršenog stanja.

Korištenjem metoda disperzije obično nije moguće postići vrlo visoku disperziju. Sistemi veličine čestica reda 10-6 - 10-7 cm dobijaju se kondenzacionim metodama.

raspršeni sistem homogeno okruženje

Metode za dobijanje dispergovanih sistema

Predavanje 20. Elektrokinetičke pojave

Pitanja za samotestiranje

1. Koja je razlika između adsorpcije na čvrstoj površini i adsorpcije na površini tekućine?

2. Šta je fizička i hemijska adsorpcija, koja je njihova suština?

4. Na kojim principima se zasniva Langmuirova teorija monomolekularne adsorpcije?

5. Dajte jednačinu za Langmuirovu izotermu adsorpcije. Šta ograničava adsorpciju?

6. Razmotrite Freundlichovu jednačinu. Pod kojim uslovima i za koje sisteme se primenjuje?

7. Objasnite princip grafičkog određivanja adsorpcionih konstanti pomoću Freundlichove jednačine?

20.1 Metode za dobijanje dispergovanih sistema

20.2 Elektroforeza, elektroosmoza, potencijali sedimentacije i perkolacije

20.3 Elektrokinetički potencijal i njegova definicija

Hemijska supstanca se može dobiti u koloidnom stanju pod sljedećim uvjetima:

1) veličina čestice date supstance mora biti dovedena do koloidnih veličina (10−5–10−7 cm), što se može uraditi na dva načina: a) drobljenjem čestica supstance do veličine koloidnog stepena disperzija (metode disperzije); b) povećanje molekula, atoma, jona na čestice koloidne veličine (kondenzacione metode);

2) prisustvo stabilizatora, na primer, jona elektrolita, koji formiraju ionsku hidratnu ljusku na površini koloidnih čestica i stvaraju naboj koji sprečava da se čestice slepe kada se sudare u rastvoru;

3) koloidne čestice (disperzovana faza) moraju imati slabu rastvorljivost u disperzionom mediju, barem u vreme njihove pripreme.

Ako su ovi uvjeti ispunjeni, koloidne čestice dobivaju električni naboj i hidratantnu ljusku, što sprječava njihovo taloženje.

Disperzione metode za proizvodnju koloidnih sistema baziraju se na mljevenju relativno velikih čestica dispergirane faze do koloidnih veličina mehaničkom, električnom, hemijskom i ultrazvučnom disperzijom. U hemijske metode disperzije spadaju i tzv. metoda spontane disperzije. Na primjer, otapanjem u vodi mogu se dobiti koloidni rastvori škroba, želatine, agar-agara itd. Do spontane disperzije dolazi bez vanjskih mehaničkih utjecaja. Ova metoda se široko koristi za dobivanje otopina tvari visoke molekularne težine iz čvrstih polimera.

Kondenzacijske metode se zasnivaju na prelasku molekularnih ili ionskih otopina u koloidne otopine zbog povećanja čestica tvari dispergirane faze. Metode kondenzacije uključuju metodu zamjene rastvarača, kemijske metode za proizvodnju koloidnih otopina reakcijama oksidacije, redukcije, razmjenske razgradnje, hidrolize itd., kao i metodu peptizacije. Kao rezultat svih kemijskih reakcija, molekularne ili jonske otopine postaju koloidne pretvaranjem otopljenih tvari u nerastvorljivo stanje. Metode kondenzacije, pored hemijskih procesa, mogu se zasnivati ​​i na fizičkim procesima, uglavnom na fenomenu kondenzacije pare. U hemijskim metodama za proizvodnju dispergovanih sistema, jedna od polaznih supstanci deluje kao stabilizator i uzima se u višku.

Metoda oksidacije. Temelji se na reakcijama oksidacije, kao rezultat kojih se jedna od tvari može dobiti u koloidnom stanju. Na primjer, kada se sumporovodik oksidira atmosferskim kisikom ili sumpordioksidom, može se dobiti sol sumpora:

2H 2 S + O 2 → 2H 2 O + 2S

2H 2 S + SO 2 → 2H 2 O + 3S

Metoda oporavka. Kao primjer dajemo reakciju dobivanja zlatnog sola redukcijom njegove soli vodikovim peroksidom ili formaldehidom:

2HAuCI 4 + 3H 2 O 2 → 2Au + 8HCI + 3O 2

2HAuCI 4 + 3HCHO + 11KOH → 2Au + 3HCOOK + 8KCI + 8H 2 O

Reakcija redukcije proizvodi mnoge metale u koloidnom stanju, na primjer, Au, Ag, Pt, Pd, Os, Hg, itd.

Metoda razmjene razmjene. Primjer je reakcija za proizvodnju sola barij sulfata:

BaCI 2 + K 2 SO 4 → BaSO 4 + 2KCI

ili srebrni hlorid

AgNO 3 + KCI → AgCI + KNO 3.

Metoda hidrolize. Slabo rastvorljivi Fe(III) hidroksid nastaje tokom hidrolize gvožđe(III) hlorida:

FeCI 3 + 3HOH → Fe(OH) 3 + 3HCI,

Fe(OH) 3 + HCI → FeOCI + 2H 2 O

Željezni oksihlorid koji nastaje kao rezultat ovih reakcija se djelimično disocira na ione:

FeOCI ↔ FeO + + CI −

Ovi joni stvaraju jonski sloj oko Fe(OH) 3 čestica, držeći ih suspendiranim.

Metoda peptizacije. Peptizacija je prelazak sedimenata nastalih tokom koagulacije u koloidni rastvor. Može nastati pri ispiranju sedimenata pod uticajem peptizirajućih sredstava, koja koriste elektrolite. Nema promjene u stepenu disperzije čestica sedimenta, već samo njihova isključenje.

Iz tog razloga, metoda peptizacije, kondenzacija u početnim fazama i disperzija u završnim fazama, zauzima međupoziciju između kondenzacije i disperzije. Primjer sola dobivenog peptizacijom je sinteza pruskog plavog sola.

DISPERZIRANJE

Disperzija može biti spontana ili nespontana. Spontana disperzija je tipična za liofilne sisteme. U odnosu na liofobne sisteme, spontana disperzija u njima je moguća kroz utrošak određenog rada.

Disperzija je karakterizirana stepen disperzije ( a ) . Određuje se omjerom veličina početnog proizvoda i čestica dispergirane faze rezultirajućeg sistema.

a = d n/ d k, (7.1)

d n, d k - prečnik čestica pre i posle mlevenja.

Posao W, neophodan za raspršivanje čvrste ili tečne materije, troši se na deformisanje tela W d i formiranje novog faznog interfejsa W a, koji se mjeri radom adhezije. Deformacija je neophodan preduslov za uništenje tela. Rad disperzije određuje se formulom:

W = W A + W d = * DB + kV (7.2)

* - vrijednost proporcionalna ili jednaka površinskom naponu na granici,

DB- povećanje granice između faza kao rezultat disperzije,

V- volumen originalnog tijela prije disperzije,

k- koeficijent ekvivalentan radu deformacije po jedinici zapremine tela.

Koristeći tehnike koloidne hemije, energija potrebna za disperziju može se smanjiti. Takve metode uključuju smanjenje čvrstoće adsorpcije. Kao rezultat adsorpcije surfaktanata na vanjskim i unutarnjim površinama čvrste tvari, međufazna površinska napetost se smanjuje i deformacija krute tvari je olakšana.

Smanjenje energije disperzije može se postići sljedećim metodama: izvođenje procesa u tečnom mediju, mljevenje uz istovremenu vibraciju i korištenje ultrazvučne metode.

DOBIJANJE DISPERZNIH SISTEMA ZBOG PROCESA KONDENZACIJE

Metode kondenzacije : kondenzacija, desublimacija, kristalizacija. Oni se zasnivaju na formiranju nove faze u uslovima prezasićenog stanja supstance u gasovitom ili tečnom mediju. U ovom slučaju, sistem prelazi iz homogenog u heterogeni. Kondenzacija i desublimacija su karakteristične za gasni medij, a kristalizacija je karakteristična za tečni medij.

Neophodan uslov za kondenzaciju i kristalizaciju - prezasićenost i neravnomjerna raspodjela tvari u disperzijskom mediju i stvaranje kondenzacijskih centara (embrioni).

Stepen prezasićenosti b za rastvor i paru može se izraziti na sledeći način:

b w = s/s s, b p = r/r s (7.3)

p, c - pritisak prezasićene pare i koncentracija supstance u prezasićenom rastvoru, str s- ravnotežni pritisak zasićene pare na ravnoj površini, s s- ravnotežna rastvorljivost koja odgovara formiranju nove faze.

Kondenzaciju olakšavaju sitne čestice. Na primjer, proizvodi sagorijevanja avionskog goriva, čestice tla, itd. mogu poslužiti kao jezgra kondenzacije vodene pare.

Kada nema kondenzacionih jezgara, kapljice mogu postojati u prehlađenom stanju. Kada se para kondenzuje pod ovim uslovima, neće se formirati kapljice, već kristali. Proces prijelaza plinovite tvari u čvrsto, zaobilazeći tekuće stanje, naziva se desublimacija.

sublimacija -prelazak čvrste materije u gas bez prolaska kroz tečnost.

Kondenzacijske metode se zasnivaju na spontanim procesima, koji su praćeni smanjenjem Gibbsove energije.

Tokom nukleacije i formiranja čestica iz prezasićenog rastvora ili gasne faze, hemijski potencijal se menjam, pojavljuje se fazni interfejs, koji postaje nosilac viška slobodne površinske energije.

Kondenzacija može biti fizička ili hemijska.

Fizička kondenzacija - provodi se kada se temperatura plinovitog medija koji sadrži pare različitih tvari smanji.

Izotermna destilacija : smanjenje veličine malih čestica dok potpuno ne nestanu i rast velikih čestica.

MEMBRANE I MEMBRANSKI PROCESI

Membrane- polupropusne pregrade kroz koje se vrši osmoza. Osmoza- spontani proces prijenosa rastvarača (disperzionog medija) kroz membranu iz rastvarača (manje koncentrisanog ili koloidnog rastvora) u rastvor (ili u više koncentrisan rastvor).

Membrane su tanki porozni filmovi, oni su dvodimenzionalni visoko dispergirani sistemi.

Najčešće se membrane koriste za pročišćavanje tekućina od nečistoća pomoću reverzne osmoze (kretanje otopljenih nečistoća kroz membranu pod utjecajem vanjskog pritiska)

Slika 7.2 Šema osmoze (a), reverzne osmoze (b), ultrafiltracije i dijalize (c).

1. disperzioni medij (čista tečnost) tečnost, 2. koloidni T/L ili pravi rastvor, 3. membrana, 4. protok čiste tečnosti (rastvarač), 5. tok nečistoća.

Ako se pritisak P primeni iz dispergovanog sistema 2, tada će se tok tečnosti iz regiona 2 pomeriti u oblast 1. Kroz membranu 3 prolaze samo molekuli rastvarača (zbog njihove veće pokretljivosti). Sadržaj regiona 1 će biti obogaćen čistom tečnošću, au regionu 2 će biti koncentrisane nečistoće.

Smjer kretanja tekućine u reverznoj osmozi je suprotan od njenog kretanja u slučaju osmoze.

Posao potreban za implementaciju reverzne osmoze troši se na tjeranje tekućine kroz pore:

W os = D R V (7.4)

Dp je pad pritiska na obe strane membrane,

V- zapremina tečnosti koja prolazi kroz membrane.

D p = P - str (7.5)

P - višak pritiska iznad rastvora,

str- osmotski pritisak.

Iz jednakosti 7.5 slijedi da je P> str. Ovo stanje određuje višak tlaka koji je potreban za pojavu reverzne osmoze.

Uz pomoć dijaliza(7.2, c) dispergovani sistem je prečišćen od nečistoća u obliku jona ili molekula. Disperzni sistem je smešten u desni deo 2 posude, odvojen od levog dela 1 membranom 3. Membrana je propusna za molekule i jone, ali zadržava čestice dispergovane faze. Kao rezultat difuzije, nečistoće iz područja veće koncentracije 2 će spontano preći u područje niže koncentracije 1.

Prečišćavanje koloidne otopine dijalizom može se intenzivirati primjenom vanjskog pritiska p (7.2, c). U ovom slučaju, proces se naziva ultrafiltracija.

Reverzna osmoza, dijaliza, ultrafiltracija se koriste u različite svrhe, ali imaju mnogo zajedničkog.

Osnovni princip rada membrane je selektivna permeabilnost, koja je određena veličinom pora, svojstvima sistema koji se čiste i vanjskim pritiskom.

Osim otopina za pročišćavanje, membrane doprinose ravnoteži elektrolita u prisustvu čestica ili jona čije im veličine ne dozvoljavaju da prodru kroz pore, tzv. membranska ravnoteža, što je od praktične važnosti za IUD rastvore, u procesima bubrenja supstanci i u različitim fiziološkim procesima.

Membranska tehnologija je mnogo efikasnija od drugih sličnih tehnologija i zahtijeva niže troškove energije.

RAZLOG ZA MOLEKULARNO KINETIČKA SVOJSTVA

Sva molekularna kinetička svojstva uzrokovana su haotičnim toplinskim kretanjem molekula disperzijskog medija, koje se sastoji od translacijskih, rotacijskih i vibracionih kretanja molekula.

Molekuli imaju različite kinetičke energije. Međutim, na datoj temperaturi, prosječna kinetička energija molekula ostaje konstantna. Fluktuacija vrijednosti kinetičke energije molekula disperzijskog medija je uzrok molekularno kinetičkih svojstava.

Molekularno kinetička svojstva se manifestuju u tekućim i plinovitim disperzijskim medijima.

BROWNIAN MOTION

Najmanje čestice beznačajne mase doživljavaju nejednake udare molekula disperzijskog medija; F, što uzrokuje pomicanje čestica.

Slika 7.3 Utjecaj molekula disperzijskog medija na česticu dispergirane faze.

Smjer i impuls ove sile se stalno mijenjaju, pa se čestice kreću na haotičan način.

Einstein i Smoluchowski su 1907. godine, nezavisno jedno od drugog, uspjeli odrediti smjer rezultujuće sile i povezati je s molekularno kinetičkim svojstvima medija.

Njihovi proračuni nisu bili zasnovani na pravom putu čestica, već na pomeranju čestica (slika 7.4).

Put čestice je određen isprekidanom linijom i pomakom X karakterizira promjenu koordinata čestice u određenom vremenskom periodu. Srednji pomak će odrediti srednji kvadratni pomak čestice:

(7.6)

x 1, x 2, x i- pomeranja čestica tokom određenog vremena.

Teorija Brownovog kretanja zasniva se na ideji interakcije slučajne sile f( t) , koji karakterizira udare molekula i, i sila Ft, ovisno o vremenu i sili trenja kada se čestice dispergirane faze kreću u disperzionom mediju brzinom v. Jednačina Brownovog kretanja(Langevinova jednadžba) ima oblik:

m(dv/ dt) + hv = Ft + f( t) (7.7)

Gdje m- masa čestica,h- koeficijent trenja prilikom kretanja čestica.

Za velike vremenske periode, inercija čestica, odnosno termin m(dv/ dt) može se zanemariti. Nakon integracije 7.7. pod uslovom da je prosječni proizvod impulsa slučajne sile jednak nuli, pronađite prosječni pomak:

(7.8)

Gdje t- vrijeme, h- viskoznost disperzionog medija, r-radijus čestica dispergirane faze.

Braunovo kretanje je najizraženije u visoko dispergovanim sistemima. Razumijevanje razloga i razvijanje teorije Brownovog kretanja je briljantan dokaz molekularne prirode materije.

DIFUZIJA

Difuzija- proces spontanog širenja supstance iz područja veće koncentracije u područje niže koncentracije.

Vrste difuzije:

1. molekularni;

2. jonski;

3. difuziju koloidnih čestica.

Jonska difuzija je povezana sa spontanim kretanjem jona. Formiranje difuznog sloja protujona na površini čestica dispergirane faze odvija se prema mehanizmu difuzije jona.

Difuzija visoko dispergiranih koloidnih čestica prikazana je na Sl. 7.5.n 1 > n 2 . To jest, difuzija ide odozdo prema gore. Difuziju karakterizira određena brzina kretanja tvari kroz poprečni presjek B, koja je jednaka dm/ dt.

Na daljinu Dx razlika koncentracije će bitin 2 - n 1 , ova vrijednost je negativna.

dn/ dx je gradijent koncentracije.

Brzina kretanja materije:

dm = – D·( dn/ dx) · Bdt (7.9)

D- koeficijent difuzije.

Jednačina 7.9 - osnovna jednačina difuzije u diferencijalnom obliku. Vrijedi za sve vrste difuzije U integralnom obliku primjenjiv je za dva procesa: stacionarni i nestacionarni.

Za stacionarni proces, gradijent koncentracije je konstantan. Integracijom 7.9. dobijamo:

m = – D(dn/ dx) Bt- Fikov prvi zakon (7.10)

Fizičko značenje koeficijenta difuzije : Ako- dn/ dx= 1, V = 1, t= 1, onda m = D, odnosno koeficijent difuzije je numerički jednak masi difuzne tvari kada su gradijent koncentracije, površina poprečnog presjeka difuzijskog toka i vrijeme jednaki jedinici.

Koloidne čestice karakterizira minimalni koeficijent difuzije.

Difuzija je kvantificirana koeficijent difuzije, što je povezano sa srednjim pomakom:

x -.2 = 2 Dr, r= x -.2 /(2 Dt) (7.11)

D= kT/ (6 strhr) (7.12)

k= R/ N A .

Iz ove formule jasno je da koeficijent difuzije zavisi i od oblika čestica, pa se znajući koeficijent difuzije može odrediti veličina čestica dispergirane faze.

OSMOZA

Kada su dvije otopine različitih koncentracija razdvojene polupropusnom pregradom, dolazi do protoka otapala iz niže koncentracije u višu. Ovaj proces se naziva osmoza.

1 - posuda sa rastvorom, 2 - posuda sa čistom tečnošću, 3 - polupropusna pregrada (membrana).

Termodinamičko objašnjenje osmoze:

Hemijski potencijal čiste tečnostim 2 premašuje hemijski potencijal iste tečnosti u rastvorum 1 .Proces se odvija spontano u pravcu nižeg hemijskog potencijala sve dok se hemijski potencijali ne izjednače.

Kao rezultat kretanja tečnosti u posudi 1, stvara se višak pritiskastr, zvao osmotski. Rastvarač koji prodire u područje 1 podiže nivo tečnosti do visine H, čime se kompenzuje pritisak čistog rastvarača.

Osmotski pritisak - višak pritiska iznad rastvora, koji je neophodan da bi se sprečio prenos rastvarača kroz membranu.

Osmotski pritisak jednak je pritisku koji bi disperzovana faza proizvela da u obliku gasa na istoj temperaturi zauzima isti volumen kao koloidni sistem (rastvor). Osmotski pritisak nastaje spontano kao posledica molekularno-kinetičkih svojstava disperzione sredine.

Osmotski pritisak za idealne neelektrolitne otopine:

strV = RTln(1 – x) (7.13)

V- molarni volumen rastvarača, x - molni udio otopljene supstance.

U slučaju razrijeđenih otopina neelektrolita:

strV = nRT (7.14)

Gdje n- broj molova otopljene supstance.

Ako je masa otopljene tvari = q, masa = M, onda n = q/M, onda:

str = n(RT/V) = (q/V)(RT/V)(7.15)

M= mN A, m = 4/3 strr 3 r (7.16)

r- gustina čestica, m- molekulsku masu čestica dispergirane faze, r- radijus čestica dispergirane faze.

onda:

(7.17)

Iz ove formule slijedi da je osmotski tlak direktno proporcionalan koncentraciji dispergirane faze i obrnuto proporcionalan veličini ovih čestica.

Osmotski pritisak koloidnih rastvora je beznačajan.

SEDIMENTACIJA

Sedimentacija- sedimentacija čestica dispergirane faze, reverzna sedimentacija - plutanje čestica.

Na svaku česticu u sistemu djeluje sila gravitacije i Arhimedova sila podizanja:

F g = mg= vgr I F A = vgr 0 (7.18)

Gdje r, r 0 - gustina čestica dispergovane faze i disperzione sredine, m- masa čestica, v- zapremina čestica, g- ubrzanje gravitacije.

Ove sile su konstantne i usmjerene u različitim smjerovima. Rezultirajuća sila koja uzrokuje sedimentaciju je:

F sed = F g -F A = v( r - r 0 ) g (7.19)

Ako r> r 0 , tada se čestica slegne, ako naprotiv, ispliva.

Kada se čestica kreće laminarno, javlja se otpor - sila trenja:

F tr = B u (7.20)

B - koeficijent trenja, u- brzina kretanja čestica.

Sila koja deluje na česticu tokom kretanja:

F = F sed - F tr = vg(r - r 0 ) – B u (7.21)

Sa povećanjem brzine i dovoljno velikim koeficijentom trenja, dolazi trenutak kada sila trenja dostigne silu koja uzrokuje taloženje i pokretačka sila će biti jednaka nuli. Nakon toga, brzina čestice postaje konstantna:

u = vg(r (7,23)

Poznavajući količine uključene u jednadžbu, lako možete pronaći radijus čestica dispergirane faze.

Sposobnost taloženja se izražava kroz konstanta sedimentacije:

S sed = u/g (7.24)

Fenomen sedimentacije ima široku primjenu u raznim industrijama, uključujući i često korištenu za analizu dispergiranih sistema.