Producția de sisteme dispersate este asociată în primul rând cu producerea de particule dispersate. Următoarele sarcini trebuie rezolvate:

• 1) distribuiți particulele dispersate într-un mediu de dispersie la concentrația necesară;
• 2) stabilizați sistemul dispersat pentru a-și păstra structura și proprietățile pentru un timp suficient de lung;
• 3) curățați sistemul dispersat de diverse impurități.

Aceste probleme sunt rezolvate în funcție de specificul (tipul) unui anumit sistem dispersat.

Pregătirea sistemelor dispersate

Emulsii. Deoarece emulsiile sunt sisteme grosiere, ele sunt de obicei preparate folosind metoda de dispersie. Lichidele care urmează să formeze o emulsie sunt amestecate energic sau supuse vibrațiilor mecanice sau ultrasunetelor. Pentru a obține picături de aceeași dimensiune (adică, un sistem monodispers), se efectuează omogenizarea. Acest proces constă în forțarea unui lichid de fază dispersat într-un mediu de dispersie prin găuri mici de diametrul necesar la presiune înaltă. Această tehnică este utilizată, de exemplu, la prelucrarea laptelui. Ca urmare a omogenizării, dimensiunea medie a picăturilor de grăsime scade de la aproximativ 1 -3 la 0,1 -0,2 microni.

Emulsiile se obtin si prin metode de condensare (de obicei prin inlocuirea solventului).

O sarcină independentă este producerea de emulsii foarte concentrate. Acestea includ emulsii cu o concentrație în fază dispersată mai mare de 74 voi. %, până la 99 vol. %. Picăturile fazei dispersate în astfel de emulsii, având forma unor prisme cu mai multe fațete, sunt separate prin pelicule subțiri ale unui mediu de dispersie lichid.

Emulsinele concentrate pot avea proprietățile mecanice ale solidelor - rezistență și elasticitate.

Specificul preparării emulsiilor concentrate este că faza dispersată este introdusă în mediul lichid de dispersie în porții mici, cu agitare puternică.

Spumă. La fel ca emulsiile, spumele sunt sisteme grosiere. Prin urmare, în multe procese tehnologice, spumele sunt obținute prin aceleași metode de dispersie care sunt folosite pentru a obține bule de gaz.

Metodele de condensare pentru producerea spumei se bazează pe suprasaturarea unei soluții de gaz într-un lichid dat, cu o modificare corespunzătoare a temperaturii sau presiunii. Se folosesc și reacții chimice care eliberează gaz. Ca exemplu, dăm reacția care stă la baza preparării spumei în stingătoarele de incendiu:

NaHCO3 + HCI > NaCI + H2O+ CO2^

O altă metodă de condensare pentru producerea spumei se bazează pe utilizarea proceselor microbiologice.

Soluții coloidale. Soluțiile coloidale (solurile) se obțin prin diferite metode de condensare. Pentru a obține soluri foarte dispersate, este necesar să se asigure că este îndeplinită următoarea condiție: viteza de formare a particulelor solide trebuie să fie de multe ori mai mare decât viteza de creștere a acestora. Pentru a îndeplini această condiție, atunci când se produc particule dispersate prin reacții chimice, se utilizează adesea următoarea metodă: o soluție concentrată a unui component este turnată într-o cantitate mică într-o soluție foarte diluată a unei alte componente, cu agitare foarte puternică.

Geluri. Sistemele de mai sus sunt dispersate liber. Producția de sisteme dispersate coerent are anumite specificități. Să luăm în considerare prepararea gelurilor ca exemplu. Ele sunt obținute de obicei din soluții coloidale (soluri). În anumite condiții, particulele dispersate se lipesc împreună și are loc un proces de coagulare.

Dacă particulele au o formă anizodiametrică (tije, elipsoide), atunci ele sunt conectate predominant prin capete și formează o structură spațială (rețea), în celulele căreia există un mediu de dispersie lichid. Procesul de transformare a solurilor în geluri se numește tranziție sol-gel. Este important în nanotehnologie. Astfel, gelurile, precum emulsiile concentrate, pot fi uneori sisteme dispersate bicontinue.

Proprietățile gelurilor sunt controlate foarte eficient prin schimbarea concentrației fazei dispersate și a formei particulelor dispersate. Un alt factor important este temperatura: creșterea acesteia face dificilă formarea de contacte între particulele dispersate și, prin urmare, rezistența gelurilor scade.

Presiunea osmotică asigură mișcarea apei în plante datorită diferenței de presiune osmotică dintre seva celulară a rădăcinilor plantelor (5-20 bar) și soluția de sol, care se diluează în continuare în timpul irigației. Presiunea osmotică face ca apa să se ridice în plantă de la rădăcini până la vârf. Astfel, celulele frunzelor, pierzând apa, o absorb osmotic din celulele stem, iar acestea din urma o preiau din celulele radiculare.

49. Calculați fem-ul unei celule galvanice cupru-zinc în care concentrația ionilor de C u 2 + este egal cu 0,001 mol/l, iar ioni Zn 2+ 0,1 mol/l. Când faceți calcule, luați în considerare valorile EMF standard:

ε o (Zn 2+ /Zn 0) = – 0,74 V și ε o (Cu 2 + /Cu 0) = + 0,34 V.

Pentru a calcula valoarea EMF, se folosește ecuația Nernst

54. Metode de obținere a sistemelor dispersate, clasificarea acestora și caracteristicile pe scurt. Care metodă de obținere a sistemelor dispersate este cea mai benefică din punct de vedere termodinamic?

Metoda de dispersie. Constă în zdrobirea mecanică a solidelor la o anumită dispersie; dispersie prin vibrații ultrasonice; dispersie electrică sub influența curentului alternativ și continuu. Pentru obținerea sistemelor dispersate prin metoda dispersiei se folosesc pe scară largă dispozitive mecanice: concasoare, mori, mortare, role, râșnițe de vopsea, scuturatoare. Lichidele sunt atomizate și pulverizate folosind duze, râșnițe, discuri rotative și centrifuge. Dispersia gazelor se realizează în principal prin barbotarea lor printr-un lichid. În polimerii spumă, betonul spumos și gipsul spumos, gazele sunt produse folosind substanțe care eliberează gaz la temperaturi ridicate sau în reacții chimice.

În ciuda utilizării pe scară largă a metodelor de dispersie, acestea nu pot fi utilizate pentru a obține sisteme de dispersie cu o dimensiune a particulelor de -100 nm. Astfel de sisteme sunt obținute prin metode de condensare.

Metodele de condensare se bazează pe procesul de formare a unei faze dispersate din substanțe în stare moleculară sau ionică. O cerință necesară pentru această metodă este crearea unei soluții suprasaturate din care să se obțină un sistem coloidal. Acest lucru poate fi realizat în anumite condiții fizice sau chimice.

Metode fizice de condensare:

1) răcirea vaporilor de lichide sau solide în timpul expansiunii adiabatice sau amestecarea acestora cu un volum mare de aer;

2) îndepărtarea (evaporarea) treptată a solventului din soluție sau înlocuirea acestuia cu un alt solvent în care substanța dispersată este mai puțin solubilă.

Astfel, condensarea fizică se referă la condensarea vaporilor de apă pe suprafața particulelor solide sau lichide din aer, ionilor sau moleculelor încărcate (ceață, smog).

Înlocuirea solventului are ca rezultat formarea unui sol atunci când se adaugă un alt lichid la soluția originală, care se amestecă bine cu solventul original, dar este un solvent slab pentru solut.

Metodele de condensare chimică se bazează pe efectuarea diferitelor reacții, în urma cărora o substanță nedizolvată este precipitată dintr-o soluție suprasaturată.

Condensarea chimică se poate baza nu numai pe reacții de schimb, ci și pe reacții redox, hidroliză etc.

Sistemele dispersate pot fi obținute și prin peptizare, care constă în transformarea sedimentelor, ale căror particule au deja dimensiuni coloidale, într-o „soluție” coloidală. Se disting următoarele tipuri de peptizare: peptizare prin spălarea sedimentului; peptizare cu surfactanți; peptizare chimică.

De exemplu, un precipitat de hidroxid de fier proaspăt preparat și spălat rapid se transformă într-o soluție coloidală roșu-maro prin adăugarea unei cantități mici de soluție de FeCl 3 (peptizare prin adsorbție) sau HCl (dizolvare).

Mecanismul de formare a particulelor coloidale folosind metoda de peptizare a fost studiat destul de complet: interacțiunea chimică a particulelor de pe suprafață are loc după următoarea schemă:

adsorb ioni Fe +3 sau FeO +, cei ulterioare se formează ca urmare a hidrolizei FeCl 3 iar miezul micelului primește o sarcină pozitivă. Formula micelară poate fi scrisă astfel:

Din punct de vedere termodinamic, cea mai avantajoasă metodă este dispersia.

1) Coeficientul de difuzie pentru o particulă sferică este calculat folosind ecuația Einstein:

,

unde N А este numărul lui Avogadro, 6 10 23 molecule/mol;

h – vâscozitatea mediului de dispersie, N s/m 2 (Pa s);

r – raza particulei, m;

R – constanta universală a gazului, 8,314 J/mol K;

T – temperatura absolută, K;

numărul 3.14.

2) Deplasarea pătratică medie:

  ·D·   deplasarea pătrată medie (valoarea medie a deplasării) a unei particule dispersate, m 2 ;

timpul în care particula este deplasată (durata difuziei), s;

D  coeficientul de difuzie, m 2. s -1 .

  ·D·=2*12,24*10 -10 *5=12,24*10 -9 m 2    12,24*10 -9 m 2 .

74. Surfactanți. Descrieți motivele și mecanismul de manifestare a activității lor de suprafață.

La concentrații scăzute, agenții tensioactivi formează soluții adevărate, de exemplu. particulele sunt dispersate și sunt reduse la molecule individuale (sau ioni). Pe măsură ce concentrația crește, apar miceliile. în soluții apoase, părțile organice ale moleculelor din micelii sunt combinate într-un miez de hidrocarbură lichidă, iar grupările polare hidratate sunt în apă, în timp ce suprafața totală de contact a părților hidrofobe ale moleculelor cu apa este puternic. redus. Datorită hidrofilității grupurilor polare care înconjoară micelul, tensiunea de suprafață (interfacială) la interfața miez-apă este redusă la valori care asigură stabilitatea termodinamică a unor astfel de agregate în comparație cu o soluție moleculară și cu macrofaza surfactantului.

La concentrații micelare scăzute se formează micelii sferici (micelii Hartley) cu un miez apolar lichid.

Activitatea de suprafață este legată de compoziția chimică a substanței. De regulă, crește odată cu scăderea polarității surfactantului (pentru soluții apoase).

Potrivit Langmuir, în timpul adsorbției, gruparea polară, care are o mare afinitate pentru faza polară, este atrasă în apă, iar radicalul nepolar de hidrocarbură este împins în afară. scăderea rezultată a energiei Gibbs limitează dimensiunea stratului de suprafață la o grosime de moleculă. în acest caz, se formează un așa-numit strat monomolecular.

În funcție de structură, moleculele de surfactant sunt împărțite în neionice, construite pe bază de esteri, inclusiv grupări etoxi, și ionice, pe bază de acizi și baze organice.

Surfactanții ionici se disociază în soluție pentru a forma ioni activi la suprafață, de exemplu:

Dacă în timpul disocierii se formează anioni activi de suprafață, agenții tensioactivi se numesc anionici (săruri ale acizilor grași, săpunuri). Dacă în timpul disocierii se formează cationi tensioactivi, surfactanții sunt numiți cationici (săruri ale aminelor primare, secundare și terțiare).

Există agenți tensioactivi care, în funcție de pH-ul soluției, pot fi fie cationici, fie aninoactivi (proteine, aminoacizi).

Particularitatea moleculelor de surfactant este că au activitate de suprafață ridicată față de apă, ceea ce reflectă dependența puternică a tensiunii superficiale a unei soluții apoase de surfactant de concentrația acesteia.

La concentrații scăzute de surfactant, adsorbția este proporțională cu concentrația.

Activitatea de suprafață este legată de compoziția chimică a substanței. De regulă, crește odată cu scăderea polarității surfactantului (pentru soluții apoase). De exemplu, pentru acizii carboxilici valoarea activității este mai mare decât pentru sărurile acestora.

La studierea seriilor omoloage, a fost descoperită o dependență clară a activității de lungimea radicalului de hidrocarbură.

Pe baza unei cantități mari de material experimental la sfârșitul secolului al XIX-lea, Duclos și Traube au formulat o regulă: activitatea de suprafață într-o serie de omologi crește de 3-3,5 ori cu o creștere a lanțului de hidrocarburi cu o grupă CH2.

Pe măsură ce concentrația crește, adsorbția pe suprafața lichidului crește mai întâi brusc și apoi se apropie de o anumită limită, numită adsorbție limitativă.

Pe baza acestui fapt și a unui număr mare de studii, Langmuir a prezentat ideea orientării moleculelor în stratul de suprafață. Potrivit Langmuir, în timpul adsorbției, o grupare polară, care are o mare afinitate pentru faza polară - apa, este atrasă în apă, iar radicalul nepolar de hidrocarbură este împins în afară. Scăderea rezultată a energiei Gibbs limitează dimensiunea stratului de suprafață la o grosime de moleculă. În acest caz, se formează un așa-numit strat monomolecular.

Introducere………………………………………………………………… pp. 3

Parte principală

1. Pregătirea sistemelor dispersate………………………………p. 5

1.1. Metode de dispersie……………………………..p. 5

1.2. Metode de condensare……………………………..p. 7

2. Purificarea sistemelor dispersate………………………………………..p. 10

Anexa…………………………………………………… pag 12

Lista referințelor……………………………p.13

Introducere

În chimia coloidală, multe concepte de la cursurile de chimie fizică sunt utilizate pe scară largă, inclusiv sisteme de fază, omogene și eterogene.

O fază este o parte a unui sistem de aceeași compoziție, proprietăți fizice identice, limitată de alte părți printr-o interfață. Un sistem format dintr-o fază se numește omogen. Un sistem eterogen este format din două sau mai multe faze. Se numește un sistem eterogen în care una dintre faze este prezentată sub formă de particule microscopice microeterogene. Un sistem eterogen poate conține particule de dimensiuni mult mai mici în comparație cu cele vizibile la microscop optic. Astfel de particule sunt observate cu ajutorul unui ultramicroscop. Un sistem care conține particule atât de mici se numește ultramicroeterogene. Conform propunerii lui Ostwald și Weimarn, faza inclusă într-un sistem microeterogen și ultramicroetergen sub formă de particule mici se numește dispersat .

Sistemele microeterogene și ultramicroeterogene sunt reprezentanți ai unei clase speciale de sisteme eterogene numite sisteme dispersate .

Chimia coloidală este știința proprietăților sistemelor eterogene foarte dispersate și a proceselor care au loc în ele.

Deținând un exces de energie liberă, sistemele tipice foarte dispersate sunt instabile termodinamic. Ele sunt caracterizate prin procese spontane care reduc acest exces prin reducerea dispersiei. În acest caz, sistemul, deși rămâne neschimbat în compoziția sa chimică, își schimbă caracteristicile energetice și, în consecință, proprietățile chimice coloidale. În procesele luate în considerare, spre deosebire de cele chimice, sistemul prezintă instabilitate, variabilitate și labilitate ridicată, rămânând în același timp „pe cont propriu” (păstrându-și compoziția).

Toate aceste trăsături - ireproductibilitatea, formarea structurii și labilitatea - sunt de mare importanță în procesul de evoluție a materiei către forma sa cea mai înalt organizată - viața. Posibilitățile potențiale ale proceselor vieții sunt deja conținute, ca într-un embrion, în sistemele dispersate din care este construită materia vie. Nivelul coloidal al materiei, supramolecular sau macromolecular, corespunzător „nivelului molecular” din biologie, este o verigă necesară și inevitabilă în procesul de evoluție.

Problemele biologice complexe care domină în prezent știința naturii sunt rezolvate în mare măsură pe baza chimiei fizice a sistemelor dispersate. Prin urmare, studiul chimiei coloidale are o importanță deosebită și o importanță fundamentală pentru dezvoltarea științei în prezent și viitor.

Această lucrare discută principalele metode de obținere și purificare a sistemelor dispersate, care sunt clasificate ca soluri cu un mediu de dispersie lichid și o fază solidă dispersată (sol [Talbă germană din solutio(lat.) ] - soluție coloidală). Pe baza mărimii particulelor, solurile sunt clasificate ca sistem de tip coloidal-dispers (10 -7 - 10 -9 m).

Obținerea materialelor cu proprietățile cerute include în multe cazuri, ca procese tehnologice, formarea (dispersia sau condensarea) particulelor de fază dispersată și coagularea acestora într-un mediu de dispersie lichid. Pe de altă parte, coagularea și sedimentarea materiei în suspensie reprezintă una dintre etapele proceselor de tratare a apei. Acest lucru se aplică nu numai suspensiilor menajere dăunătoare și deșeurilor provenite din diferite procese tehnologice, ci și solurilor special obținute de hidroxizi metalici, care sunt introduse în apă pentru a capta impuritățile de surfactant și ionii de metale grele. Metodele de control al acestor procese se bazează pe aplicarea legilor generale de formare și distrugere a sistemelor dispersate în combinație cu studiul proprietăților lor specifice, în special capacitatea de a forma structuri dispersate în spațiu cu proprietăți mecanice caracteristice. Aceste fenomene chimice coloidale stau la baza multor procese geologice, de exemplu, care duc la formarea stratului de sol, care a stat la baza dezvoltării vieții pe suprafața Pământului.

Parte principală

1. Obținerea sistemelor disperse.

Există două metode cunoscute pentru producerea sistemelor dispersate. Într-una dintre ele, substanțele solide și lichide sunt măcinate fin (dispersate) într-un mediu de dispersie adecvat, în cealaltă, este cauzată formarea de particule de fază de dispersie din molecule sau ioni individuali.

Se numesc metode de producere a sistemelor dispersate prin măcinarea particulelor mai mari dispersiv. Se numesc metode bazate pe formarea particulelor ca urmare a cristalizării sau condensării condensare.

1.1. Metode de dispersie.

Acest grup de metode combină în primul rând metode mecanice în care depășirea forțelor intermoleculare și acumularea energiei de suprafață liberă în timpul procesului de dispersie are loc datorită lucrului mecanic extern asupra sistemului. Ca rezultat, corpurile solide sunt zdrobite, abrazive, zdrobite sau despicate, iar acest lucru este tipic nu numai pentru condițiile de laborator sau industriale, ci și pentru procesele de dispersie care au loc în natură (rezultatul strivirii și abraziunii rocilor dure sub acțiunea surfului). forțe, fenomene de maree, procese de intemperii și leșiere etc.).

În condiții de laborator și industriale, procesele luate în considerare sunt efectuate în concasoare, pietre de moară și mori de diferite modele. Cel mai comun mori cu bile. Acestea sunt cilindri rotativi cu goluri în care sunt încărcate materialul zdrobit și bile de oțel sau ceramică. Pe măsură ce cilindrul se rotește, bilele se rostogolesc, abrazând materialul care este zdrobit. Mărunțirea poate apărea și ca urmare a impactului cu minge. Morile cu bile produc sisteme ale căror dimensiuni ale particulelor sunt într-un interval destul de larg: de la 2 – 3 până la 50 – 70 microni. Un cilindru gol cu ​​bile poate fi introdus într-o mișcare oscilativă circulară, ceea ce favorizează strivirea intensivă a materialului încărcat sub acțiunea mișcării complexe a corpurilor de măcinare. Un astfel de dispozitiv este numit moara vibratoare.

Se realizează o dispersie mai fină în coloidal mori diverse modele, al căror principiu de funcționare se bazează pe dezvoltarea forțelor de rupere într-o suspensie sau emulsie sub influența forței centrifuge într-un spațiu îngust între rotorul care se rotește la viteză mare și partea staționară a dispozitivului - statorul. Particulele mari suspendate experimentează o forță de rupere semnificativă și sunt astfel dispersate. Tipul de moară coloidală care este utilizat pe scară largă astăzi este prezentat în Fig. 1 (vezi anexa). Această moară constă dintr-un rotor, care este un disc conic 1, așezat pe un arbore 2, și un stator 3. Rotorul este antrenat în rotație de un motor special situat vertical, care efectuează de obicei aproximativ 9000 rpm. Suprafețele de lucru ale rotorului și statorului 4 sunt măcinate una pe cealaltă, iar grosimea spațiului dintre ele este de aproximativ 0,05 mm. Suspensia grosieră este turnată în moară prin țeava 5 sub discul rotativ de forța centrifugă dezvoltată ca urmare a rotației rotorului, este împinsă prin fantă și apoi îndepărtată din moara prin țeava 6. Când lichidul trece în sub formă de peliculă subțire prin fantă, particulele suspendate în lichid suferă forțe de forfecare semnificative și sunt zdrobite. Gradul de dispersie al sistemului rezultat depinde de grosimea golului și de viteza de rotație a rotorului: cu cât golul este mai mic și viteza mai mare, cu atât forța tăietoare este mai mare și, prin urmare, dispersia este mai mare.

Se poate obține o dispersie mare dispersie ultrasonică. Efectul dispersiv al ultrasunetelor este asociat cu cavitația - formarea și prăbușirea cavităților într-un lichid. Lovirea cavităților este însoțită de apariția undelor de șoc de cavitație, care distrug materialul. S-a stabilit experimental că dispersia este direct dependentă de frecvența vibrațiilor ultrasonice. Dispersia cu ultrasunete este deosebit de eficientă dacă materialul este anterior măcinat fin. Emulsiile obținute prin metoda ultrasonică se disting prin uniformitatea dimensiunilor particulelor fazei dispersate.

Metodele de dispersie pentru obţinerea solurilor includ Metoda Bredig, care se bazează pe formarea unui arc voltaic între electrozii de metal dispersabil plasați în apă. Esența metodei este pulverizarea metalului electrodului în arc, precum și condensarea vaporilor de metal formați la temperaturi ridicate. Prin urmare, metoda electrică combină caracteristicile metodelor de dispersie și condensare. Metoda electrospray a fost propusă de Bredig în 1898. Bredig a inclus un ampermetru, un reostat și doi electrozi metalici dispersibili într-un circuit de curent continuu cu o putere de 5-10 A și o tensiune de 30-110 V. El a scufundat electrozii într-un vas cu apă, răcit din exterior cu gheață. Structura schematică a dispozitivului folosit de Bredig este prezentată în Fig. 2 (vezi anexa). Când curentul trece prin electrozii dintre ei sub apă, apare un arc voltaic. În acest caz, în apropierea electrozilor se formează un nor de metal foarte dispersat. Pentru a obține soluri mai stabile, este indicat să se introducă urme de electroliți stabilizatori, precum hidroxizi de metale alcaline, în apa în care sunt scufundați electrozii.

Are un sens mai general metoda lui Svedberg care folosește o descărcare oscilativă de înaltă tensiune, provocând sărirea unei scântei între electrozi. Această metodă poate fi utilizată pentru a obține nu numai hidrosoli, ci și organosoluri din diferite metale.

La zdrobire și măcinare, materialele sunt distruse în primul rând în locurile cu defecte de rezistență (macro și microfisuri). Prin urmare, pe măsură ce măcinarea progresează, rezistența particulelor crește, care este de obicei folosită pentru a crea materiale mai puternice. În același timp, o creștere a rezistenței materialelor pe măsură ce sunt zdrobite duce la un consum mare de energie pentru o dispersie ulterioară. Distrugerea materialelor poate fi facilitată prin utilizare Efect Rehbinder– reducerea de adsorbție a rezistenței solidelor. Acest efect constă în reducerea energiei de suprafață cu ajutorul agenților tensioactivi, rezultând o deformare și distrugere mai ușoară a solidului. Ca atare surfactanți, numiți în acest caz reductoare de duritate, de exemplu, metalele lichide pot fi folosite pentru a distruge metalele solide, substanțele organice pentru a reduce rezistența monocristalelor organice. Reductoarele de duritate se caracterizează prin cantități mici determinând efectul Rebinder și specificitatea acțiunii. Aditivii care umezesc materialul ajuta mediul sa patrunda in defecte si, cu ajutorul fortelor capilare, faciliteaza si distrugerea solidului. Agenții de suprafață nu numai că contribuie la distrugerea materialului, ci și stabilizează starea dispersată, deoarece, acoperind suprafața particulelor, ei împiedică astfel să se lipească sau să se îmbine (pentru lichide). Acest lucru ajută, de asemenea, la obținerea unei stări foarte dispersate.

Folosind metode de dispersie, de obicei nu este posibil să se obțină o dispersie foarte mare. Sistemele cu dimensiuni ale particulelor de ordinul 10 -6 – 10 -7 cm se obțin prin metode de condensare.

1.2. Metode de condensare.

Metodele de condensare se bazează pe procesele de formare a unei noi faze prin combinarea moleculelor, ionilor sau atomilor într-un mediu omogen. Aceste metode pot fi împărțite în fizice și chimice.

Condens fizic. Cele mai importante metode fizice de obținere a sistemelor dispersate sunt: condensarea de la vapori și înlocuirea solvenților. Cel mai evident exemplu de condensare din vapori este formarea de ceață. Când parametrii sistemului se modifică, în special când temperatura scade, presiunea vaporilor poate deveni mai mare decât presiunea de echilibru a vaporilor deasupra lichidului (sau deasupra solidului) și apare o nouă fază lichidă (solidă) în faza gazoasă. Ca urmare, sistemul devine eterogen - începe să se formeze ceață (fum). În acest fel, de exemplu, se obțin aerosoli de camuflaj, care se formează prin răcirea vaporilor de P 2 O 5, ZnO și alte substanțe. Liosolurile sunt obținute prin procesul de condensare în comun a vaporilor de substanțe care formează o fază dispersată și un mediu de dispersie pe o suprafață răcită.

Metoda înlocuirii solventului este utilizată pe scară largă, bazată, ca și precedenta, pe o astfel de modificare a parametrilor sistemului în care potențialul chimic al componentei în mediul de dispersie devine mai mare decât cel de echilibru și tendința de trecere la un starea de echilibru duce la formarea unei noi faze. Spre deosebire de metoda de condensare a vaporilor (schimbarea temperaturii), in metoda de inlocuire a solventului se modifica compozitia mediului. Astfel, dacă o soluție moleculară saturată de sulf în alcool etilic este turnată într-un volum mare de apă, atunci soluția rezultată în amestecul alcool-apă este deja suprasaturată. Suprasaturarea va duce la agregarea moleculelor de sulf cu formarea de particule dintr-o nouă fază - dispersată.

Prin înlocuirea solventului se obțin soluri de sulf, fosfor, arsen, colofoniu, acetat de celuloză și multe substanțe organice prin turnarea în apă a soluțiilor de alcool sau acetonă ale acestor substanțe.

Condens chimic. Aceste metode se bazează și pe separarea prin condensare a unei noi faze dintr-o soluție suprasaturată. Totuși, spre deosebire de metodele fizice, substanța care formează faza dispersată apare ca urmare a unei reacții chimice. Astfel, orice reacție chimică care are loc odată cu formarea unei noi faze poate fi o sursă de obținere a unui sistem coloidal. Să dăm următoarele procese chimice ca exemple.

1.Recuperare. Un exemplu clasic al acestei metode este prepararea solului de aur prin reducerea acidului clorauric. Peroxidul de hidrogen poate fi utilizat ca agent reducător (metoda Zsigmondy):

2HauCl2 +3H2O2®2Au+8HCl+3O2

Mai sunt cunoscuți și alți agenți reducători: fosfor (M. Faraday), tanin (W. Oswald), formaldehidă (R. Zsigmondy). De exemplu,

2KauO 2 +3HCHO+K 2 CO 3 =2Au+3HCOOK+KHCO 3 +H 2 O

2.Oxidarea. Reacțiile oxidative sunt larg răspândite în natură. Acest lucru se datorează faptului că în timpul ascensiunii topiturii magmatice și a gazelor, fazelor fluide și a apelor subterane separate de acestea, toate fazele mobile trec din zona proceselor de reducere la mare adâncime către zonele de reacții de oxidare din apropierea suprafeței. O ilustrare a acestui tip de proces este formarea unui sol de sulf în apele hidrotermale, cu agenți oxidanți (dioxid de sulf sau oxigen):

2H2S+O2=2S+2H2O

Un alt exemplu este procesul de oxidare și hidroliză a bicarbonatului de fier:

4Fe(HCO3)2+O2+2H2O®4Fe(OH)3+8CO2

Solul de hidroxid de fier rezultat conferă apelor naturale o culoare roșu-brun și este sursa depunerilor brun-ruginiu în straturile inferioare ale solului.

3. Hidroliza. Răspândită în natură și importantă în tehnologie, formarea hidrosolilor în procesele de hidroliză a sărurilor. Procesele de hidroliză a sării sunt utilizate pentru tratarea apelor uzate (hidroxid de aluminiu obţinut prin hidroliza sulfatului de aluminiu). Suprafața specifică mare a hidroxizilor coloidali formați în timpul hidrolizei face posibilă adsorbția eficientă a impurităților - molecule de surfactant și ioni de metale grele.

4. Reacții de schimb. Această metodă se găsește cel mai adesea în practică. De exemplu, obținerea solului de sulfură de arsen:

2H 3 AsO 3 +3H 2 S®As 2 S 3 +6H 2 O,

Prepararea solului de iodură de argint:

AgNO3 +KI®AgI+KNO3

În mod interesant, reacțiile de schimb fac posibilă obținerea solurilor în solvenți organici. În special, reacția a fost bine studiată

Hg(CN)2+H2S®HgS+2HCN

Se efectuează prin dizolvarea Hg(CN) 2 în alcool metilic, etilic sau propilic și trecerea hidrogenului sulfurat prin soluție.

Reacții bine cunoscute în chimia analitică, cum ar fi producerea de precipitate de sulfat de bariu sau clorură de argint

Na2S04 + BaCl2® BaS04 + 2NaCI

AgNO3 + NaCl® AgCl + NaNO3

în anumite condiții conduc la producerea de soluri aproape transparente, ușor tulburi, din care ulterior se pot forma precipitații.

Astfel, pentru producerea de condensare a solurilor, este necesar ca concentrația substanței în soluție să depășească solubilitatea, adică. soluția trebuie să fie suprasaturată. Aceste condiții sunt comune atât pentru formarea unui sol foarte dispersat, cât și a unui sediment obișnuit în fază solidă. Totuși, în primul caz, trebuie îndeplinite condiții speciale, care, conform teoriei dezvoltate de Weymarn, constă în apariția simultană a unui număr imens de nuclee de fază dispersate. Prin embrion ne referim minim o acumulare a unei noi faze care este în echilibru cu mediul său. Pentru a obține un sistem foarte dispersat, este necesar ca rata de formare a nucleării să fie mult mai mare decât rata de creștere a cristalelor. În practică, acest lucru se realizează prin turnarea unei soluții concentrate a unui component într-o soluție foarte diluată a altuia, cu agitare puternică.

Solii se formeaza mai usor daca in timpul prepararii lor se introduc in solutii compusi speciali numiti substante protectoare sau stabilizatori. Săpunurile, proteinele și alți compuși sunt utilizați ca substanțe protectoare în producerea hidrosolilor. Stabilizatorii sunt utilizați și la prepararea organosolurilor.

2. Curățarea sistemelor dispersate.

Solurile și soluțiile de compuși cu greutate moleculară mare (HMC) conțin compuși cu greutate moleculară mică ca impurități nedorite. Ele sunt eliminate folosind următoarele metode.

Dializă. Din punct de vedere istoric, dializa a fost prima metodă de purificare. A fost propus de T. Graham (1861). Schema celui mai simplu dializator este prezentată în Fig. 3 (vezi anexa). Solul care trebuie purificat, sau soluția DIU, este turnat într-un vas, al cărui fund este o membrană care reține particulele coloidale sau macromoleculele și permite trecerea moleculelor de solvent și impurităților cu molecularitate scăzută. Mediul extern în contact cu membrana este un solvent. Impuritățile cu greutate moleculară mică, a căror concentrație este mai mare în cenușă sau soluție macromoleculară, trec prin membrană în mediul extern (dializat). În figură, direcția de curgere a impurităților cu greutate moleculară mică este indicată prin săgeți. Purificarea continuă până când concentrațiile de impurități din cenușă și dializat devin apropiate ca valoare (mai precis, până când potențialele chimice din cenușă și dializat sunt egalizate). Dacă actualizați solventul, puteți scăpa aproape complet de impurități. Această utilizare a dializei este adecvată atunci când scopul purificării este de a elimina toate substanțele cu greutate moleculară mică care trec prin membrană. Cu toate acestea, în unele cazuri, sarcina se poate dovedi a fi mai dificilă - este necesar să scăpați doar de o anumită parte a compușilor cu greutate moleculară mică din sistem. Apoi, o soluție din acele substanțe care trebuie păstrate în sistem este utilizată ca mediu extern. Tocmai aceasta este sarcina stabilită atunci când purifică sângele de deșeuri cu greutate moleculară mică și toxine (săruri, uree etc.).

Ultrafiltrare. Ultrafiltrarea este o metodă de purificare prin forțarea unui mediu de dispersie împreună cu impurități cu greutate moleculară mică prin ultrafiltre. Ultrafiltrele sunt membrane de același tip cu cele utilizate pentru dializă.

Cea mai simplă instalație de purificare prin ultrafiltrare este prezentată în Fig. 4 (vezi anexa). Solul purificat sau soluția DIU se toarnă în punga din ultrafiltru. Solului se aplică o presiune excesivă în comparație cu presiunea atmosferică. Poate fi creat fie folosind o sursă externă (cilindru de aer comprimat, compresor etc.) fie o coloană mare de lichid. Mediul de dispersie este reînnoit prin adăugarea unui solvent pur la sol. Pentru a vă asigura că viteza de curățare este suficient de mare, actualizarea se efectuează cât mai repede posibil. Acest lucru se realizează prin utilizarea unei presiuni semnificative în exces. Pentru ca membrana să reziste la astfel de sarcini, se aplică pe un suport mecanic. Un astfel de suport este asigurat de plase și plăci cu orificii, filtre din sticlă și ceramică.

Microfiltrare. Microfiltrarea este separarea microparticulelor cu dimensiuni cuprinse între 0,1 și 10 microni folosind filtre. Performanța microfiltratului este determinată de porozitatea și grosimea membranei. Pentru a evalua porozitatea, adică raportul dintre suprafața porilor și suprafața totală a filtrului, se folosesc diferite metode: stoarcerea lichidelor și gazelor, măsurarea conductibilității electrice a membranelor, sistemele de stoarcere care conțin particule calibrate ale fazei de dispersie etc.

Filtrele microporoase sunt fabricate din substanțe anorganice și polimeri. Prin sinterizarea pulberilor se pot obtine membrane din portelan, metale si aliaje. Membranele polimerice pentru microfiltrare sunt cel mai adesea realizate din celuloză și derivații acesteia.

Electrodializa.Îndepărtarea electroliților poate fi accelerată prin aplicarea unei diferențe de potențial impuse extern. Această metodă de purificare se numește electrodializă. Utilizarea sa pentru purificarea diferitelor sisteme cu obiecte biologice (soluții de proteine, ser de sânge etc.) a început ca urmare a lucrării de succes a lui Dore (1910). Dispozitivul celui mai simplu electrodializator este prezentat în Fig. 5 (vezi anexa). Obiectul de curățat (sol, soluție DIU) este plasat în camera din mijloc 1, iar mediul este turnat în cele două camere laterale. În camerele catodului 3 și anodului 5, ionii trec prin porii din membrane sub influența unei tensiuni electrice aplicate.

Electrodializa este cea mai potrivită pentru purificare atunci când pot fi aplicate tensiuni electrice ridicate. În cele mai multe cazuri, în stadiul inițial de purificare, sistemele conțin o mulțime de săruri dizolvate și conductivitatea lor electrică este ridicată. Prin urmare, la tensiuni înalte, pot fi generate cantități semnificative de căldură și pot apărea modificări ireversibile în sistemele care conțin proteine ​​sau alte componente biologice. Prin urmare, este rațional să se folosească electrodializa ca metodă de curățare finală, folosind mai întâi dializa.

Metode de curățare combinate. Pe lângă metodele individuale de purificare - ultrafiltrare și electrodializă - este cunoscută combinația lor: electroultrafiltrarea, folosită pentru purificarea și separarea proteinelor.

Puteți purifica și crește simultan concentrația de soluție sau soluție DIU folosind o metodă numită electrodecantare. Metoda a fost propusă de W. Pauli. Electrodecantarea are loc atunci când electrodializatorul funcționează fără agitare. Particulele de sol sau macromoleculele au propria lor sarcină și, sub influența unui câmp electric, se deplasează în direcția unuia dintre electrozi. Deoarece nu pot trece prin membrană, concentrația lor la una dintre membrane crește. De regulă, densitatea particulelor diferă de densitatea mediului. Prin urmare, în locul în care este concentrat solul, densitatea sistemului diferă de valoarea medie (de obicei, densitatea crește odată cu creșterea concentrației). Solul concentrat curge în partea de jos a electrodializatorului, iar circulația are loc în cameră, continuând până când particulele sunt aproape complet îndepărtate.

Soluțiile coloidale și, în special, soluțiile de coloizi liofobi, purificați și stabilizați, pot exista, în ciuda instabilității termodinamice, o perioadă nedeterminată de timp. Soluțiile de sol de aur roșu preparate de Faraday nu au suferit încă modificări vizibile. Aceste date sugerează că sistemele coloidale pot fi în echilibru metastabil.

Aplicație

Lista literaturii folosite

1. S. S. Voyutsky, Curs de chimie coloidală. Moscova, editura „Chimie”, 1976.

2. V. N. Zakharchenko, Chimia coloidă. Moscova, editura „Școala superioară”, 1989.

3. D. A. Friedrichsberg, Curs de chimie coloidală. Editura „Chimie”, filiala Leningrad, 1974.

4. Yu G. Frolov, Curs de chimie coloidă. Fenomene de suprafață și sisteme disperse. Moscova, editura „Chimie”, 1982.

5. E. D. Shchukin, A. V. Pertsev, E. A. Amelina, Coloid chemistry. Moscova, editura „Școala superioară”, 1992.

Metode de obținere a sistemelor dispersate, clasificarea acestora și scurte caracteristici. Care metodă de obținere a sistemelor dispersate este cea mai benefică din punct de vedere termodinamic?

Metoda de dispersie. Constă în zdrobirea mecanică a solidelor la o anumită dispersie; dispersie prin vibrații ultrasonice; dispersie electrică sub influența curentului alternativ și continuu. Pentru obținerea sistemelor dispersate prin metoda dispersiei se folosesc pe scară largă dispozitive mecanice: concasoare, mori, mortare, role, râșnițe de vopsea, scuturatoare. Lichidele sunt atomizate și pulverizate folosind duze, râșnițe, discuri rotative și centrifuge. Dispersia gazelor se realizează în principal prin barbotarea lor printr-un lichid. În polimerii spumă, betonul spumos și gipsul spumos, gazele sunt produse folosind substanțe care eliberează gaz la temperaturi ridicate sau în reacții chimice.

În ciuda utilizării pe scară largă a metodelor de dispersie, acestea nu pot fi utilizate pentru a obține sisteme de dispersie cu o dimensiune a particulelor de -100 nm. Astfel de sisteme sunt obținute prin metode de condensare.

Metodele de condensare se bazează pe procesul de formare a unei faze dispersate din substanțe în stare moleculară sau ionică. O cerință necesară pentru această metodă este crearea unei soluții suprasaturate din care să se obțină un sistem coloidal. Acest lucru poate fi realizat în anumite condiții fizice sau chimice.

Metode fizice de condensare:

1) răcirea vaporilor de lichide sau solide în timpul expansiunii adiabatice sau amestecarea acestora cu un volum mare de aer;

2) îndepărtarea (evaporarea) treptată a solventului din soluție sau înlocuirea acestuia cu un alt solvent în care substanța dispersată este mai puțin solubilă.

Astfel, condensarea fizică se referă la condensarea vaporilor de apă pe suprafața particulelor solide sau lichide din aer, ionilor sau moleculelor încărcate (ceață, smog).

Înlocuirea solventului are ca rezultat formarea unui sol atunci când se adaugă un alt lichid la soluția originală, care se amestecă bine cu solventul original, dar este un solvent slab pentru solut.

Metodele de condensare chimică se bazează pe efectuarea diferitelor reacții, în urma cărora o substanță nedizolvată este precipitată dintr-o soluție suprasaturată.

Condensarea chimică se poate baza nu numai pe reacții de schimb, ci și pe reacții redox, hidroliză etc.

Sistemele dispersate pot fi obținute și prin peptizare, care constă în transformarea sedimentelor, ale căror particule au deja dimensiuni coloidale, într-o „soluție” coloidală. Se disting următoarele tipuri de peptizare: peptizare prin spălarea sedimentului; peptizare cu surfactanți; peptizare chimică.

De exemplu, un precipitat de hidroxid de fier proaspăt preparat și spălat rapid se transformă într-o soluție coloidală roșu-maro prin adăugarea unei cantități mici de soluție de FeCl 3 (peptizare prin adsorbție) sau HCl (dizolvare).

Mecanismul de formare a particulelor coloidale folosind metoda de peptizare a fost studiat destul de complet: interacțiunea chimică a particulelor de pe suprafață are loc după următoarea schemă:

Din punct de vedere termodinamic, cea mai avantajoasă metodă este dispersia.

1) Coeficientul de difuzie pentru o particulă sferică este calculat folosind ecuația Einstein:

unde NA este numărul lui Avogadro, 6 10 23 molecule/mol;

Vâscozitatea mediului de dispersie, Ns/m2 (Pas);

r - raza particulei, m;

R - constanta universală a gazului, 8,314 J/mol K;

T - temperatura absolută, K;

Numărul 3.14.

2) Deplasarea pătratică medie:

Unde? ?? deplasarea pătrată medie (valoarea medie a deplasării) a unei particule dispersate, m2;

Timp în care particula este deplasată (durata difuziei), s;??

D?? coeficient de difuzie, m2. s -1 .

? ? ????·D·?=2*12,24*10 -10 *5=12,24*10 -9 m 2

Răspuns: ? ? ?? 12,24*10 -9 m2.

Un sistem dispers este un sistem în care o substanță este distribuită în mediul alteia și există o limită de fază între particule și mediul de dispersie. Sistemele dispersate constau dintr-o fază dispersată și un mediu de dispersie.

Faza dispersată este particulele distribuite în mediu. Semnele sale: dispersie și intermitență.

Mediul de dispersie este mediul material în care se află faza dispersată. Semnul său este continuitatea.

Metoda de dispersie. Constă în zdrobirea mecanică a solidelor la o anumită dispersie; dispersie prin vibrații ultrasonice; dispersie electrică sub influența curentului alternativ și continuu. Pentru obținerea sistemelor dispersate prin metoda dispersiei se folosesc pe scară largă dispozitive mecanice: concasoare, mori, mortare, role, râșnițe de vopsea, scuturatoare. Lichidele sunt atomizate și pulverizate folosind duze, râșnițe, discuri rotative și centrifuge. Dispersia gazelor se realizează în principal prin barbotarea lor printr-un lichid. În polimerii spumă, betonul spumos și gipsul spumos, gazele sunt produse folosind substanțe care eliberează gaz la temperaturi ridicate sau în reacții chimice.

În ciuda utilizării pe scară largă a metodelor de dispersie, acestea nu pot fi utilizate pentru a obține sisteme de dispersie cu o dimensiune a particulelor de -100 nm. Astfel de sisteme sunt obținute prin metode de condensare.

Metodele de condensare se bazează pe procesul de formare a unei faze dispersate din substanțe în stare moleculară sau ionică. O cerință necesară pentru această metodă este crearea unei soluții suprasaturate din care să se obțină un sistem coloidal. Acest lucru poate fi realizat în anumite condiții fizice sau chimice.

Metode fizice de condensare:

1) răcirea vaporilor de lichide sau solide în timpul expansiunii adiabatice sau amestecarea acestora cu un volum mare de aer;

2) îndepărtarea (evaporarea) treptată a solventului din soluție sau înlocuirea acestuia cu un alt solvent în care substanța dispersată este mai puțin solubilă.

Astfel, condensarea fizică se referă la condensarea vaporilor de apă pe suprafața particulelor solide sau lichide din aer, ionilor sau moleculelor încărcate (ceață, smog).

Înlocuirea solventului are ca rezultat formarea unui sol atunci când se adaugă un alt lichid la soluția originală, care se amestecă bine cu solventul original, dar este un solvent slab pentru solut.

Metodele de condensare chimică se bazează pe efectuarea diferitelor reacții, în urma cărora o substanță nedizolvată este precipitată dintr-o soluție suprasaturată.

Condensarea chimică se poate baza nu numai pe reacții de schimb, ci și pe reacții redox, hidroliză etc.

Sistemele dispersate pot fi obținute și prin peptizare, care constă în transformarea sedimentelor, ale căror particule au deja dimensiuni coloidale, într-o „soluție” coloidală. Se disting următoarele tipuri de peptizare: peptizare prin spălarea sedimentului; peptizare cu surfactanți; peptizare chimică.

Din punct de vedere termodinamic, cea mai avantajoasă metodă este dispersia.

Metode de curățare:

1. Dializa - purificarea solurilor de impurități folosind membrane semipermeabile spălate cu un solvent pur.

2. Electrodializa – dializa accelerată de un câmp electric.

3. Ultrafiltrare - purificare prin presarea unui mediu de dispersie alaturi de impuritati cu moleculara mica printr-o membrana semipermeabila (ultrafiltru).

Proprietățile molecular-cinetice și optice ale sistemelor dispersate: mișcarea browniană, presiunea osmotică, difuzia, echilibrul de sedimentare, analiza sedimentării, proprietățile optice ale sistemelor dispersate.

Toate proprietățile cinetice moleculare sunt cauzate de mișcarea spontană a moleculelor și se manifestă în mișcarea browniană, difuzie, osmoză și echilibru de sedimentare.

Mișcarea browniană este mișcarea continuă, haotică, la fel de probabilă în toate direcțiile a particulelor mici suspendate în lichide sau gaze datorită influenței moleculelor unui mediu de dispersie. Teoria mișcării browniene se bazează pe ideea interacțiunii unei forțe aleatorii, care caracterizează impactul moleculelor, o forță dependentă de timp și o forță de frecare atunci când particulele unei faze dispersate se mișcă într-un mediu dispersiv la un o anumită viteză.

Pe lângă mișcarea de translație, este posibilă și mișcarea de rotație, ceea ce este tipic pentru particulele bidimensionale de formă neregulată (fire, fibre, fulgi). Mișcarea browniană este cea mai pronunțată în sistemele foarte dispersate, iar intensitatea acesteia depinde de dispersie.

Difuzia este răspândirea spontană a unei substanțe dintr-o zonă de concentrație mai mare într-o zonă de concentrație mai mică. Se disting următoarele tipuri:

1.)moleculară

3) particule coloidale.

Rata de difuzie în gaze este cea mai mare, iar în solide este cea mai mică.

Presiunea osmotică este presiunea în exces deasupra unei soluții care este necesară pentru a preveni transferul solventului prin membrană. OD apare atunci când un solvent pur se deplasează către o soluție sau de la o soluție mai diluată către una mai concentrată și, prin urmare, este legată de concentrația timpurie a solutului și solventului. Presiunea osmotică este egală cu presiunea pe care o produce faza dispersată (solutul) dacă aceasta, sub formă de gaz, la aceeași temperatură, ar ocupa același volum ca și sistemul coloidal (soluția).

Sedimentarea este separarea sistemelor dispersate sub influența gravitației cu separarea fazei dispersate sub formă de sediment. Capacitatea sistemelor dispersate de a sedimenta este un indicator al stabilității lor de sedimentare. Procesele de separare sunt utilizate atunci când este necesară izolarea uneia sau a altei componente dintr-o componentă dintr-un produs natural sau preparat artificial, care este un sistem lichid eterogen. În unele cazuri, o componentă valoroasă este îndepărtată din sistem, în altele, impuritățile nedorite sunt îndepărtate. În alimentația publică, procesele de separare a sistemelor dispersate sunt necesare atunci când este necesar să se obțină băuturi limpezi, să limpezească bulionul și să-l elibereze de particulele de carne.

Comportamentul unui fascicul de lumină care întâlnește particule din faza dispersată pe calea sa depinde de raportul dintre lungimea de undă a luminii și dimensiunea particulelor. Dacă dimensiunea particulelor este mai mare decât lungimea de undă a luminii, atunci lumina este reflectată de la suprafața particulelor la un anumit unghi. Acest fenomen se observă în suspensii. Dacă dimensiunea particulei este mai mică decât lungimea de undă a luminii, atunci lumina este împrăștiată.