Exemple de metode de obținere a sistemelor dispersate. 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? Obținerea sistemelor dispersate folosind conde

Metode de obţinere a sistemelor dispersate

Metodele de obținere a soluțiilor coloidale pot fi, de asemenea, împărțite în două grupe: metode de condensare și dispersie (metoda de peptizare, care va fi discutată mai târziu, este un grup separat). O altă condiție necesară pentru obținerea solurilor, pe lângă aducerea dimensiunii particulelor la coloidal, este prezența în sistem a stabilizatorilor - substanțe care împiedică procesul de mărire spontană a particulelor coloidale.

Orez. Clasificarea metodelor de producere a sistemelor disperse

(tipul de sisteme este indicat între paranteze)

Metode de dispersie

Metodele de dispersie se bazează pe zdrobirea solidelor în particule de mărime coloidală și astfel formarea de soluții coloidale. Procesul de dispersie se realizează folosind diverse metode: măcinarea mecanică a substanței în așa-numita. mori coloizi, pulverizarea cu arc electric a metalelor, zdrobirea substantelor cu ajutorul ultrasunetelor.

Dispersia trebuie să fie spontană și nespontană. Dispersia spontană este caracteristică sistemelor liofile și este asociată cu o creștere a tulburării sistemului (când dintr-o singură bucată mare se formează multe particule mici). Când se dispersează la o temperatură constantă, creșterea entropiei trebuie să depășească modificarea entalpiei.

În ceea ce privește sistemele liofobe, dispersia spontană este exclusă, prin urmare, dispersia este posibilă numai prin consumarea unei anumite cantități de muncă sau a unei cantități echivalente de căldură, care este măsurată, în special, prin entalpie.

Modificarea entalpiei într-un proces izobaric-izoterm este determinată de relația dintre munca de coeziune W k și munca de aderență W a. Energia (lucrarea) de coeziune W k caracterizează legătura din interiorul corpului, iar energia (munca) de aderență W a caracterizează legătura acesteia cu mediul.

Energia de formare a unei noi suprafețe poate fi exprimată în termeni de entalpie, care are forma

Ecuația arată modificarea entalpiei rezultată din dispersie. Pentru sistemele liofile capabile de dispersie spontană, când ΔS > 0, rezultă din condiția ca ΔH< 0 и

Îndeplinirea acestei condiții înseamnă dezintegrarea spontană a unei piese mari în multe altele mici. Un proces similar este observat pentru astfel de sisteme liofile precum soluțiile de DIU, particulele de argilă și unele altele.

Spre deosebire de sistemele liofile, coeziunea W în sistemele liofobe crește energia interacțiunii interfazelor, ᴛ.ᴇ. aderenta W a. O creștere a entalpiei (ΔH > 0) corespunde unei creșteri a energiei Gibbs

ΔH > TΔS; ΔG > 0.

Procesul de dispersie în acest caz este de obicei nespontan și se realizează datorită energiei externe.

Dispersia se caracterizează prin gradul de dispersie. Este determinată de raportul dintre dimensiunile produsului inițial și particulele fazei dispersate a sistemului rezultat. Gradul de dispersie poate fi exprimat astfel:

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

unde d n; d la; Bn; B la; V n; Vk - respectiv diametrul, suprafața, volumul particulelor înainte și după dispersie.

Totuși, gradul de dispersie trebuie exprimat în unități de mărime (α 1), suprafață (α 2) sau volum (α 3) de particule din faza dispersată, ᴛ.ᴇ. trebuie să fie liniară, de suprafață sau volumetrice.

Lucrul W necesar pentru dispersarea unui solid sau lichid este cheltuit la deformarea corpului W d și la formarea unei noi interfețe de fază W a, care se măsoară prin munca de aderență. Deformarea este o condiție prealabilă extrem de importantă pentru distrugerea unui corp. Potrivit lui P.A Rebinder, munca de dispersie este determinată de formula

W =W a + W d = σ*ΔB + kV,

unde σ* este o valoare proporțională sau egală cu tensiunea superficială la interfața dintre faza dispersată și mediul de dispersie; ΔB - creșterea interfeței de fază ca urmare a dispersiei; V este volumul corpului original înainte de dispersie; k este un coeficient echivalent cu munca de deformare pe unitatea de volum a unui corp.

Metode de condensare

Metodele de condensare pentru producerea sistemelor dispersate includ condensarea, desublimarea și cristalizarea. Οʜᴎ se bazează pe formarea unei noi faze în condițiile unei stări suprasaturate a unei substanțe într-un mediu gazos sau lichid. În acest caz, sistemul trece de la omogen la eterogen. Condensarea și desublimarea sunt caracteristice unui mediu gazos, iar cristalizarea este caracteristică unui mediu lichid.

O condiție necesară pentru condensare și cristalizare este suprasaturarea și distribuția neuniformă a substanței în mediul de dispersie (fluctuația concentrației), precum și formarea de centre sau nuclee de condensare.

Gradul de suprasaturare β pentru soluție și abur poate fi exprimat după cum urmează:

β f = s/s s , β P = r/p s ,

unde p, c sunt presiunea de vapori suprasaturați și concentrația substanței în soluția suprasaturată; p s este presiunea de echilibru a vaporilor saturați pe o suprafață plană; c s este concentrația de echilibru corespunzătoare formării unei noi faze.

Pentru a efectua cristalizarea, soluția sau amestecul de gaz este răcit.

La baza metodelor de condensare pentru obținerea sistemelor dispersate se află procesele de cristalizare, desublimare și condensare, care sunt cauzate de scăderea energiei Gibbs (ΔG).< 0) и протекают самопроизвольно.

În timpul nucleării și formării particulelor dintr-o soluție suprasaturată sau mediu gazos, potențialul chimic µ se modifică, apare o interfață, care devine purtătoarea excesului de energie de suprafață liberă.

Munca petrecută la formarea particulelor este determinată de tensiunea superficială σ și este egală cu

W 1 = 4πr 2 σ,

unde 4πr 2 este suprafața particulelor sferice cu raza r.

Potențialul chimic se modifică după cum urmează

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

unde μ i / și μ i // sunt potențialele chimice ale sistemelor homo și eterogene (în timpul trecerii de la picături mici la cele mari).

O modificare a potențialului chimic caracterizează transferul unui anumit număr de moli de substanță dintr-o fază în alta; acest număr n moli este egal cu volumul particulei 4πr 3 /3 împărțit la volumul molar Vm

Lucrul de formare a unei noi suprafețe în timpul procesului de condensare W k este egal cu

unde W 1 și W 2 sunt, respectiv, munca cheltuită pentru formarea suprafeței particulelor și munca asupra transferului de materie dintr-un mediu omogen într-unul eterogen.

Formarea sistemelor dispersate poate apărea ca urmare a condensului fizic și chimic, precum și la înlocuirea solventului.

Condensarea fizică are loc atunci când temperatura unui mediu gazos care conține vapori de diferite substanțe scade. Când sunt îndeplinite condițiile necesare, se formează particule sau picături din faza dispersată. Un proces similar are loc nu numai în volumul de gaz, ci și pe o suprafață solidă răcită, care este plasată într-un mediu gazos mai cald.

Condensarea este determinată de diferența de potențiale chimice (μ i // – μ i /)< 0, которая изменяется в результате замены растворителя. В отличие от обычной физической конденсации при înlocuirea solventului compoziţia şi proprietăţile mediului de dispersie nu rămân constante. Dacă soluțiile de alcool sau acetonă de sulf, fosfor, colofoniu și alte substanțe organice sunt turnate în apă, soluția devine suprasaturată, are loc condensarea și se formează particule de fază dispersată. Metoda de înlocuire a solventului este una dintre puținele prin care se pot obține soluri.

La condensare chimică formarea unei substanţe are loc cu suprasaturarea şi condensarea ei simultană.

Metode de obținere a SISTEMELOR DISPERSE - concept și tipuri. Clasificarea și caracteristicile categoriei „Metode de obținere a sistemelor dispersate” 2017, 2018.

1.2. Metode de obţinere a sistemelor dispersate

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 dispersate 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.

Metoda de dispersie

Această metodă 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, solidele sunt zdrobite, abrazive, zdrobite sau despicate.

În condiții de laborator și industriale, procesele luate în considerare se desfășoară în concasoare, pietre de moară și mori de diferite modele. Morile cu bile sunt cele mai comune. 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 la 50-70 microni. Un cilindru gol cu ​​bile poate fi pus într-o mișcare oscilativă circulară, ceea ce favorizează strivirea intensivă a materialului încărcat sub influența mișcării complexe a corpurilor zdrobite. Acest dispozitiv se numește moara cu vibrații.

Dispersia mai fină se realizează în mori coloidale de diferite 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.

Se poate obține o dispersie mare dispersie ultrasonică. Efectul dispersiv al ultrasunetelor este asociat cu cavitația - formarea și prăbușirea unei cavități 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 caracterizează printr-o dimensiune uniformă a particulei fazei dispersate.

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 utilizarea efectului Rebinder - reducerea adsorbției a rezistenței solidelor. Acest efect este de a reduce energia de suprafață cu ajutorul agenților tensioactivi, rezultând o deformare și distrugere mai ușoară a solidului. Reductoarele de duritate se caracterizează prin cantități mici care determină 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 înapoi. Acest lucru ajută, de asemenea, la obținerea unei stări foarte dispersate.

De obicei, nu este posibil să se obțină o dispersie ridicată folosind metoda de dispersie. Sistemele de dispersie obținute prin metode de dispersie sunt făina, tărâțe, aluat, zahăr pudră, cacao (penițe, pudră), ciocolată, pralină, masele de marțipan, piureuri de fructe și fructe de pădure, suspensii, emulsii, mase de spumă.

Metoda de condensare

Metoda de condensare se bazează pe procesele de apariție a unei faze eterogene dintr-un sistem omogen prin combinarea de molecule, ioni sau atomi. Se face o distincție între condensarea chimică și cea fizică.

Condens chimic se bazează pe eliberarea unei substanțe ușor solubile ca urmare a unei reacții chimice. Pentru a obține o nouă fază de grad de dispersie coloidal, este necesar un exces de unul dintre reactivi, utilizarea soluțiilor diluate și prezența unui stabilizator în sistem.

În timpul condensării fizice, se formează o nouă fază într-un mediu gazos sau lichid în condițiile unei stări suprasaturate a substanței. Condensarea presupune formarea unei noi faze pe suprafețele existente (pereții unui vas, particule de substanțe străine - nuclee de condensare) sau pe suprafața nucleelor ​​care apar spontan ca urmare a fluctuațiilor densității și concentrației unei substanțe în sistem. . În primul caz, condensarea se numește eterogen, în al doilea - omogen. De regulă, condensarea are loc pe suprafața nucleelor ​​de condensare sau a nucleelor ​​de dimensiuni foarte mici, astfel încât reactivitatea substanței condensate este mai mare decât macrofazele în conformitate cu ecuația Kelvin a condensării capilare. Prin urmare, pentru ca substanța condensată să nu revină la faza inițială și condensarea să continue, trebuie să existe suprasaturare în sistem.

1.3. Clasificarea sistemelor disperse

Sistemele dispersate sunt clasificate după următoarele criterii:

gradul de dispersie;

starea de agregare a fazei dispersate și a mediului de dispersie;

proprietăți structurale și mecanice;

natura interacțiunii dintre faza dispersată și mediul de dispersie.

Clasificare după gradul de dispersie

În funcție de dimensiunea particulelor, se disting sisteme cu dispersie mare, dispersie medie și dispersate grosier (Tabelul 1.1).

Tabelul 1.1

	particule, m	Dispersitate
Foarte dispersat (sisteme coloidale)			hidrosoli, aerosoli
Mediu dispersat			Cafea instant, zahar pudra
Aspru	Mai mult de 10 -5
Soluții adevărate	Mai puțin de 10 -9

Suprafața specifică a particulelor fazei dispersate este maximă în sistemele foarte dispersate atunci când se trece la sisteme dispersate medii și grosier, aria suprafeței specifică scade (Fig. 1.3). Când dimensiunea particulelor este mai mică de 10 -9 m, interfața dintre particule și mediu dispare și se formează soluții moleculare sau ionice (soluții adevărate).

Pe baza mărimii particulelor fazei dispersate, unul și același produs poate aparține unor sisteme dispersate diferite. De exemplu, particulele de făină de grâu premium au o dimensiune de (1-30)10 –6 m, adică făina de acest grad aparține simultan sistemelor cu dispersie medie și grosieră.

Clasificarea după starea de agregare

Faza dispersată și mediul de dispersie pot fi în oricare dintre cele trei stări de agregare: solid (S), lichid (L) și gazos (G).

Fiecare sistem de dispersie are propria sa denumire și nume: numărătorul indică starea agregată a fazei dispersate, iar numitorul indică mediul de dispersie. Sunt posibile opt opțiuni pentru sistemele dispersate (Tabelul 1.2), deoarece sistemul H/H nu poate fi eterogen.

În general, toate sistemele coloidale foarte dispersate sunt numite soluri. Un prefix este adăugat cuvântului sol pentru a caracteriza mediul de dispersie. Dacă mediul de dispersie este solid - xerosoli, lichid - liosolurile(hidrosoli), gaze – aerosoli.

Pe lângă sistemele dispersate simple, există și sisteme dispersate complexe care constau din trei sau mai multe faze.

De exemplu, aluatul după frământare este un sistem complex de dispersie format din faze solide, lichide și gazoase. Poate fi reprezentat ca un sistem de tip T, G, F/T. Boabele de amidon, particulele de coji de cereale și proteinele insolubile umflate formează faza solidă. Substantele minerale si organice (proteine ​​solubile in apa, dextrine, zaharuri, saruri etc.) se dizolva in apa nelegata. Unele dintre proteinele care se umflă la infinit formează soluții coloidale. Grăsimea prezentă în aluat este sub formă de picături. Mediul gazos se formează datorită captării bulelor de aer în timpul frământării și în timpul procesului de fermentație.

Mediul de dispersie al masei de ciocolată este untul de cacao, iar faza dispersată constă din particule de zahăr pudră și masă de cacao, adică masa de ciocolată fără umplutură este un sistem complex de dispersie T, T/F.

Sistemele complexe de dispersie includ aerosoli industriali (smog), constând din faze solide și lichide distribuite într-un mediu gazos.

Tabelul 1.2

Dispersiv	Dispersat	Dispersat	Nume sistem,
			Starea coloidală este imposibilă
			Aerosoli lichizi: ceață, deodorant
			Aerosoli solizi, pulberi: praf, fum, zahar pudra, cacao pudra, lapte praf
			Spume, emulsii gazoase: apă carbogazoasă, bere, spumă (bere, săpun)
			Emulsii: lapte, maioneza
			Soluri, suspensii: soluri metalice, rezervoare naturale, masa de cacao, mustar
			Spume solide: piatră ponce, spumă de polistiren, brânză, pâine, ciocolată gazoasă, bezele
			Sisteme capilare: ulei, umpluturi de fructe
			Aliaje metalice, pietre pretioase

Clasificare după proprietăți structurale și mecanice

Distinge liber dispersateȘi dispersate coeziv sisteme.

În sistemele liber dispersate, particulele din faza dispersată nu sunt conectate între ele și se mișcă liber în întregul volum al sistemului (liosoluri, suspensii și emulsii diluate, aerosoli, aproape toate pulberile în vrac etc.).

În sistemele dispersate coeziv, particulele din faza dispersată intră în contact între ele, formând un cadru care conferă acestor sisteme proprietăți structurale și mecanice - rezistență, elasticitate, plasticitate (geluri, jeleuri, spume solide, emulsii concentrate etc.). Masele alimentare dispersate coeziv pot fi sub formă de produse intermediare (aluat, carne tocată) sau produse alimentare finite (brânză de vaci, unt, halva, marmeladă, brânză prelucrată etc.).

Clasificarea după natura interacțiunii

fază dispersată și mediu de dispersie

Toate sistemele dispersate formează două grupuri mari - liofile și liofobe:

Liofilă (hidrofil) sistemele dispersate se caracterizează printr-o predominanță semnificativă a forțelor de interacțiune de suprafață a fazelor dispersate și dispersate asupra forțelor de coeziune. Cu alte cuvinte, aceste sisteme se caracterizează prin afinitate mare a fazei dispersate și a mediului de dispersie și, în consecință, valori scăzute ale energiei de suprafață. G pov. Se formează spontan și sunt stabile termodinamic. Proprietățile sistemelor dispersate liofile pot fi prezentate prin soluții de agenți tensioactivi coloidali (săpunuri), soluții de compuși cu greutate moleculară mare (proteine, polizaharide), emulsii critice, microemulsii și unele soluri.

Liofob (hidrofob) – sisteme în care interacțiunea intermoleculară dintre particule și mediu este mică. Astfel de sisteme sunt considerate instabile termodinamic. Formarea lor necesită anumite condiții și influență externă. Pentru a crește stabilitatea, în ele se introduc stabilizatori. Majoritatea sistemelor de dispersie a alimentelor sunt liofobe.

Întrebări și sarcini pentru consolidarea materialului

Numiți trăsăturile caracteristice ale sistemelor disperse. Care este faza dispersată și mediul de dispersie în următoarele sisteme: lapte, pâine, maioneză, unt, aluat?

Ce parametri caracterizează gradul de fragmentare a sistemelor disperse? Cum se modifică suprafața specifică atunci când faza dispersată este zdrobită?

Calculați suprafața specifică (în m2/m3) a cristalelor de zahăr cubic cu lungimea marginii de 210 -3 m.

Diametrul picăturilor de ulei din sosuri depinde de metoda de preparare a acestora. Cu agitare manuală este de 210 -5 m, iar cu amestecarea la mașină - 410 -6 m Determinați dispersia și suprafața specifică (m 2 /m 3) a picăturilor de ulei pentru fiecare caz. Trageți o concluzie despre efectul dimensiunii particulelor asupra suprafeței specifice.

Determinați suprafața specifică a globulelor de grăsime și cantitatea acestora în 1 kg de lapte cu un conținut de grăsime de 3,2%. Diametrul globulelor de grăsime este de 8,510 -7 m, densitatea grăsimii din lapte.
900 kg/m3.

Care este cauza excesului de energie de suprafață?

Ce este tensiunea superficială? In ce unitati se masoara? Numiți factorii care influențează tensiunea superficială.

Care sunt metodele cunoscute pentru producerea sistemelor dispersate?

După ce criterii sunt clasificate sistemele disperse? Dați o clasificare a sistemelor disperse în funcție de gradul de dispersie și starea de agregare a fazelor.

Pe ce bază sunt împărțite sistemele dispersate în liofobe și liofile? Ce proprietăți au aceste sisteme? Dă exemple.

Capitol2 . SISTEME DISPERSE LIOFILIZATE

Cele mai comune și utilizate pe scară largă sisteme liofile în industria alimentară sunt soluțiile de agenți tensioactivi coloidali și compușii cu molecul mare.

2.1. Soluții de agenți tensioactivi coloidali

Coloidal sunt surfactanți capabili să formeze micelii în soluții (din latină mica - minuscul) - asociați formați dintr-un număr mare de molecule (de la 20 la 100). Surfactanții cu un lanț lung de hidrocarburi care conține 10-20 atomi de carbon au capacitatea de a forma micelii.

Datorită gradului ridicat de asociere a moleculelor între micelă și mediul de dispersie, apare o interfață,
adică soluțiile de surfactant micelari sunt sisteme eterogene. Dar, în ciuda eterogenității și a suprafeței mari de interfață, acestea sunt stabile termodinamic. Acest lucru se datorează faptului că moleculele de surfactant din micelii sunt orientate de grupuri polare către mediul polar, ceea ce determină tensiune interfacială scăzută. Prin urmare, energia de suprafață a unor astfel de sisteme este scăzută; acestea sunt sisteme liofile tipice.

2.1.1. Clasificarea surfactanților coloidali

prin grupuri polare

Conform clasificării adoptate la cel de-al III-lea Congres Internațional de Surfactanți și recomandată de Organizația Internațională pentru Standardizare (ISO) în 1960, surfactanții coloidali se împart în anionici, cationici, neionici și amfoteri. Uneori sunt izolați și agenți tensioactivi cu molecule înalte (polimeri), perfluorurați și organosilici, cu toate acestea, pe baza naturii chimice a moleculelor, acești agenți tensioactivi pot fi clasificați într-una din clasele de mai sus.

Surfactanții anionici conțin una sau mai multe grupări polare în moleculă și se disociază într-o soluție apoasă pentru a forma anioni cu lanț lung, care determină activitatea lor de suprafață. Sunt mai buni decât toate celelalte grupuri de agenți tensioactivi în îndepărtarea murdăriei de pe suprafețele de contact, ceea ce determină utilizarea lor într-o varietate de detergenți.

Grupările polare din agenții tensioactivi anionici sunt carboxil, sulfat, sulfonat și fosfat.

Un grup mare de surfactanți anionici sunt derivați ai acizilor carboxilici (săpunuri). Cele mai importante sunt sărurile de metale alcaline ale acizilor grași saturați și nesaturați cu un număr de atomi de carbon de 12-18, obținute din grăsimi animale sau uleiuri vegetale. Când sunt utilizate în condiții optime, săpunurile sunt agenți tensioactivi ideali. Principalul lor dezavantaj este sensibilitatea la apa dură, ceea ce a determinat necesitatea creării de surfactanți anionici sintetici - alchilsulfonați, alchilbenzensulfonați etc.

Substanțele anionice reprezintă cea mai mare parte a producției mondiale de surfactanți. Principalul motiv pentru popularitatea acestor agenți tensioactivi este simplitatea lor și costurile de producție reduse.

Cationic sunt surfactanți ale căror molecule se disociază într-o soluție apoasă pentru a forma un cation surfactant cu un lanț hidrofob lung și un anion - de obicei o halogenură, uneori un anion de acid sulfuric sau fosforic. Acestea includ amine cu diferite grade de substituție, baze de amoniu cuaternar și alte baze care conțin azot, baze de fosfoniu cuaternar și sulfoniu terțiar. Agenții tensioactivi cationici nu reduc tensiunea superficială la fel de mult ca cei anionici, dar au o bună capacitate de adsorbție pe suprafețele încărcate negativ - metale, minerale, materiale plastice, fibre, membrane celulare, ceea ce a determinat utilizarea lor ca agenți anticorozivi și antistatici, dispersanți, balsam, bactericide și aditivi care reduc aglomerarea îngrășămintelor.

Surfactanți neionici nu se disociază în ioni în apă. Solubilitatea lor se datorează prezenței în molecule de eter hidrofil și grupări hidroxil, cel mai adesea lanțul de polietilen glicol. Aceasta este clasa de surfactanți cea mai promițătoare și cu cea mai rapidă dezvoltare.

Agenții tensioactivi neionici, în comparație cu cei anionici și cationici, sunt mai puțin sensibili la sărurile care cauzează duritatea apei. Acest tip de surfactant face detergentul moale, sigur și ecologic (biodegradabilitatea agenților tensioactivi neionici este de 100%). Surfactanții neionici există numai sub formă lichidă sau pastă și, prin urmare, nu pot fi conținute în detergenți solizi (săpunuri, pulberi).

Agenții tensioactivi amfoteri (amfolitici) conțin ambele tipuri de grupări în moleculă: acide (cel mai adesea carboxil) și bazice (de obicei o grupare amino cu diferite grade de substituție). În funcție de pH-ul mediului, aceștia prezintă proprietăți ca agenți tensioactivi cationici (la pH< 4), так и анионактивных (при рН 9-12). При
pH 4-9 se pot comporta ca compuși neionici.

Acest tip de surfactant include multe substanțe naturale, inclusiv aminoacizi și proteine.

Surfactanții amfoteri se caracterizează prin proprietăți dermatologice foarte bune, înmoaie efectul ingredientelor de curățare anionice și, prin urmare, sunt adesea utilizați în șampoane și produse cosmetice de înaltă calitate.

Mai multe detalii despre clasificarea agenților tensioactivi și reprezentanții principali ai fiecărei clase pot fi găsite în.

2.1.2. Concentrația micelică critică.
Structura și proprietățile micelilor de surfactant. Solubilizarea

Se numește concentrația de surfactant la care apar miceliile în soluție concentrația micelică critică(KKM). Structura și proprietățile micelilor de surfactant sunt determinate de interacțiunile intermoleculare dintre componentele sistemului.

Majoritatea datelor experimentale indică faptul că în apropierea CMC în soluții apoase, miceliile sunt formațiuni sferice atât în ​​cazul surfactanților activi cationici și anionici, cât și neionici. Când miceliile se formează într-un solvent polar, de exemplu, apă, lanțurile de hidrocarburi ale moleculelor de surfactant sunt combinate într-un miez compact, iar grupările polare hidratate care se confruntă cu faza apoasă formează o înveliș hidrofilă (Fig. 2.1, A). Diametrul unei astfel de micele este egal cu de două ori lungimea moleculei de surfactant, iar numărul de agregare (numărul de molecule din micelă) variază de la 30 la 2000 de molecule. Forțele atractive ale părților de hidrocarburi ale moleculelor de surfactant în apă pot fi identificate cu interacțiuni hidrofobe; respingerea grupelor polare limitează creșterea micelilor. În solvenții nepolari, orientarea moleculelor de surfactant este opusă, adică radicalul de hidrocarbură este în fața lichidului nepolar (Fig. 2.1, b).

Există un echilibru dinamic între moleculele de surfactant din stratul de adsorbție și din soluție, precum și între moleculele de surfactant incluse în micelii (Fig. 2.2).

Forma micelilor și dimensiunile lor nu se modifică într-un interval de concentrație destul de larg. Cu toate acestea, odată cu creșterea conținutului de surfactant în soluție, începe să apară interacțiunea dintre micelii și la concentrații care depășesc CMC de 10 sau mai multe ori, acestea devin mai mari, formând mai întâi micelii cilindrice, iar apoi la concentrații mai mari - în formă de tijă, în formă de disc. și micelii în formă de placă cu anizometrie pronunțată . La concentrații și mai mari de surfactant în soluții, apar rețele spațiale și sistemul devine structurat.

Valoarea CMC este cea mai importantă caracteristică a unui surfactant, în funcție de mulți factori: lungimea și gradul de ramificare a radicalului de hidrocarbură, prezența impurităților, pH-ul soluției, raportul dintre proprietățile hidrofile și hidrofobe ale surfactantului. . Cu cât radicalul de hidrocarbură este mai lung și cu cât gruparea polară este mai slabă, cu atât valoarea CMC este mai mică. Atunci când concentrația de surfactant este mai mare decât cea critică corespunzătoare CMC, proprietățile fizico-chimice se modifică brusc și apare o îndoire în curba proprietăți-compoziție. Prin urmare, majoritatea metodelor de determinare a CMC se bazează pe măsurarea oricărei proprietăți fizico-chimice - tensiune superficială, conductivitate electrică, indice de refracție, presiune osmotică etc. - și stabilirea concentrației la care se observă o modificare bruscă a acestei proprietăți.

Astfel, izotermele tensiunii superficiale  soluții de agenți tensioactivi coloidali, în loc de mișcarea lină obișnuită descrisă de ecuația Shishkovsky, este detectată o îndoire în timpul QCM (Fig. 2.3). Cu o creștere suplimentară a concentrației peste CMC, valorile tensiunii superficiale rămân practic neschimbate.

Curba conductibilității electrice specifice æ în funcție de concentrație Cu surfactanții coloidali ionici cu CMC are o rupere ascuțită (Fig. 2.4).

Una dintre proprietățile caracteristice ale soluțiilor de surfactant coloidal asociate cu structura lor micelară este solubilizare– dizolvarea în soluții de surfactanți coloidali a unor substanțe care sunt de obicei insolubile într-un lichid dat. Mecanismul de solubilizare constă în pătrunderea moleculelor nepolare de substanțe adăugate la soluția de surfactant în miezul nepolar al micelei (fig. 2.5), sau invers. În acest caz, lanțurile de hidrocarburi p se depărtează, iar volumul micelului crește. Ca urmare a solubilizării, lichidele de hidrocarburi se dizolvă în soluții apoase de surfactant: benzină, kerosen, precum și grăsimi care sunt insolubile în apă. Sărurile biliare – colatul de sodiu și deoxicolat de sodiu, care solubilizează și emulsionează grăsimile din intestine – au o activitate de solubilizare excepțional de mare.

Solubilizarea este un factor important în acțiunea detergentă a agenților tensioactivi. De obicei, particulele poluante sunt hidrofobe și nu sunt umezite de apă. Prin urmare, chiar și la temperaturi ridicate, efectul de curățare al apei este foarte mic și se adaugă agenți tensioactivi coloidali pentru a-l crește. Când un detergent intră în contact cu o suprafață contaminată, moleculele de surfactant formează un strat de adsorbție pe particulele de murdărie și pe suprafața care este curățată. Moleculele de surfactant pătrund treptat între particulele de murdărie și suprafață, favorizând desprinderea particulelor de murdărie (Fig. 2.6). Contaminantul intră în micelă și nu se mai poate depune pe suprafața de spălat.

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.

Metodele de producere a sistemelor dispersate prin măcinarea particulelor mai mari sunt numite dispersive. Metodele bazate pe formarea particulelor ca urmare a cristalizării sau condensării se numesc condensare.

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 se desfășoară în concasoare, pietre de moară și mori de diferite modele. Morile cu bile sunt cele mai comune. 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 la 50 - 70 microni. Un cilindru gol cu ​​bile poate fi introdus într-o mișcare oscilativă circulară, care favorizează strivirea intensivă a materialului încărcat sub acțiunea mișcării complexe a corpurilor de măcinare. Acest dispozitiv se numește moara cu vibrații.

Dispersia mai fină se realizează în mori coloidale de diferite 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, în consecință, dispersia este mai mare.

Dispersia ridicată poate fi obținută prin dispersie ultrasonică. Efectul dispersiv al ultrasunetelor este asociat cu cavitația - formarea și trântirea 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 dispersive pentru producerea solurilor includ metoda Bredig, care se bazează pe formarea unui arc voltaic între electrozii unui metal dispersat 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.

Mai generală este metoda 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 utilizarea efectului Rehbinder - o scădere a adsorbției 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 astfel de agenți tensioactivi, numiți în acest caz reductori de duritate, pot fi utilizați, de exemplu, metale lichide pentru a distruge metalele solide, substanțe 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.

sistem dispersat mediu omogen

Metode de obţinere a sistemelor dispersate

Curs 20. Fenomene electrocinetice

Întrebări de autotest

1. Care este diferența dintre adsorbția pe o suprafață solidă și adsorbția pe o suprafață lichidă?

2. Ce este adsorbția fizică și chimică, care este esența lor?

4. Pe ce principii se bazează teoria lui Langmuir a adsorbției monomoleculare?

5. Dați ecuația pentru izoterma de adsorbție Langmuir. Ce este limitarea adsorbției?

6. Luați în considerare ecuația Freundlich. În ce condiții și pentru ce sisteme este aplicabil?

7. Explicați principiul determinării grafice a constantelor de adsorbție folosind ecuația Freundlich?

20.1 Metode de obţinere a sistemelor dispersate

20.2 Potențiale de electroforeză, electroosmoză, sedimentare și percolare

20.3 Potențialul electrocinetic și definiția acestuia

O substanță chimică poate fi obținută în stare coloidală în următoarele condiții:

1) dimensiunea particulelor unei substanțe date trebuie adusă la dimensiunile coloidale (10−5–10−7 cm), ceea ce se poate realiza prin două metode: a) zdrobirea particulelor substanței până la dimensiunea unui grad coloidal de dispersie (metode de dispersie); b) mărirea moleculelor, atomilor, ionilor la particule de dimensiune coloidală (metode de condensare);

2) prezența unui stabilizator, de exemplu, ionii electroliți, care formează o înveliș de hidrat ionic pe suprafața particulelor coloidale și creează o sarcină care împiedică lipirea particulelor atunci când se ciocnesc într-o soluție;

3) particulele coloidale (fază dispersată) trebuie să aibă o solubilitate slabă într-un mediu de dispersie, cel puțin în momentul preparării lor.

Dacă aceste condiții sunt îndeplinite, particulele coloidale capătă o sarcină electrică și o înveliș de hidratare, care le împiedică să precipite.

Metodele de dispersie pentru producerea sistemelor coloidale se bazează pe măcinarea particulelor relativ mari ale substanței în fază dispersată la dimensiuni coloidale prin dispersie mecanică, electrică, chimică și ultrasonică. Metodele chimice de dispersie includ și așa-numitele. metoda dispersiei spontane. De exemplu, prin dizolvare în apă se pot obține soluții coloidale de amidon, gelatină, agar-agar etc. Dispersia spontană are loc fără influențe mecanice externe. Această metodă este utilizată pe scară largă pentru a obține soluții de substanțe cu greutate moleculară mare din polimeri solizi.

Metodele de condensare se bazează pe trecerea soluțiilor moleculare sau ionice în soluții coloidale datorită măririi particulelor substanței în fază dispersată. Metodele de condensare includ metoda de înlocuire a solventului, metode chimice de producere a soluțiilor coloidale folosind reacții de oxidare, reducere, descompunere prin schimb, hidroliză etc., precum și metoda de peptizare. Ca rezultat al tuturor reacțiilor chimice, soluțiile moleculare sau ionice devin coloidale prin transformarea substanțelor dizolvate într-o stare insolubilă. Metodele de condensare, pe lângă procesele chimice, se pot baza și pe procese fizice, în principal fenomenul de condensare a vaporilor. În metodele chimice de producere a sistemelor dispersate, una dintre substanțele inițiale acționează ca un stabilizator și este luată în exces.

Metoda de oxidare. Se bazează pe reacții de oxidare, în urma cărora una dintre substanțe poate fi obținută în stare coloidală. De exemplu, prin oxidarea hidrogenului sulfurat cu oxigen atmosferic sau dioxid de sulf, se poate obține un sol de sulf:

2H2S + O2 → 2H2O + 2S

2H2S + SO2 → 2H2O + 3S

Metoda de recuperare. Ca exemplu, dăm reacția de obținere a unui sol de aur prin reducerea sării sale cu peroxid de hidrogen sau formaldehidă:

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

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

Reacția de reducere a produs multe metale în stare coloidală, de exemplu, Au, Ag, Pt, Pd, Os, Hg etc.

Metoda de descompunere prin schimb. Un exemplu este reacția de producere a solului de sulfat de bariu:

BaCl2 + K2S04 → BaS04 + 2KCI

sau clorură de argint

AgNO3 + KCI → AgCI + KNO3.

Metoda hidrolizei. Hidroxidul de Fe(III) ușor solubil se formează în timpul hidrolizei clorurii de fier(III):

FeCI3 + 3HOH → Fe(OH)3 + 3HCI,

Fe(OH)3 + HCI → FeOCI + 2H2O

Oxiclorura ferică formată ca urmare a acestor reacții se disociază parțial în ioni:

FeOCI ↔ FeO + + CI −

Acești ioni oferă un strat ionic în jurul particulelor de Fe(OH) 3, menținându-le suspendate.

Metoda de peptizare. Peptizarea este tranziția precipitatelor formate în timpul coagulării într-o soluție coloidală. Poate apărea la spălarea sedimentelor sub influența agenților de peptizare, care folosesc electroliți. Aici nu există nicio modificare a gradului de dispersie a particulelor de sedimente, ci doar a acestora deconectare.

Din acest motiv, metoda de peptizare, condensarea în fazele inițiale, și dispersia în etapele finale, ocupă o poziție intermediară între condensare și dispersie. Un exemplu de sol obținut prin peptizare este sinteza solului de albastru prusac.

DISPERSARE

Dispersia poate fi spontană sau nespontană. Dispersia spontană este tipică pentru sistemele liofile. În raport cu sistemele liofobe, dispersia spontană este exclusă;

Dispersia este caracterizată grad de dispersie ( A ) . Este determinată de raportul dintre dimensiunile produsului inițial și particulele fazei dispersate a sistemului rezultat.

A = d n/ d k,(7,1)

d n, d k - diametrul particulelor înainte și după măcinare.

Loc de munca W, necesar pentru dispersarea unui solid sau lichid, este cheltuit pentru deformarea corpului W d și formarea unei noi interfețe de fază W a, care se măsoară prin munca de aderență. Deformarea este o condiție prealabilă necesară pentru distrugerea unui corp. Lucrul de dispersie este determinat de formula:

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

* - o valoare proporțională sau egală cu tensiunea superficială la interfață;

DB- creșterea interfeței dintre faze ca urmare a dispersiei,

V- volumul corpului original înainte de dispersie,

k- coeficient echivalent cu munca de deformare pe unitatea de volum a corpului.

Folosind tehnici de chimie coloidală, energia necesară pentru dispersie poate fi redusă. Astfel de metode includ reducerea rezistenței la adsorbție. Ca urmare a adsorbției agenților tensioactivi pe suprafețele exterioare și interioare ale unui solid, tensiunea superficială a interfazelor este redusă și deformarea solidului este facilitată.

Reducerea energiei de dispersie se poate realiza prin următoarele metode: efectuarea procesului într-un mediu lichid, măcinarea cu vibrații simultane și utilizarea metodei ultrasonice.

OBȚINEREA SISTEMELOR DE DISPERSE DATORITĂ PROCESELOR DE CONDENSARE

Metode de condensare : condensare, desublimare, cristalizare. Ele se bazează pe formarea unei noi faze în condițiile unei stări suprasaturate a unei substanțe într-un mediu gazos sau lichid. În acest caz, sistemul trece de la omogen la eterogen. Condensarea și desublimarea sunt caracteristice unui mediu gazos, iar cristalizarea este caracteristică unui mediu lichid.

Condiție necesară pentru condensare și cristalizare - suprasaturarea și distribuția neuniformă a substanței în mediul de dispersie și formarea de centre de condensare (embrioni).

Gradul de suprasaturare b pentru soluție și abur poate fi exprimată după cum urmează:

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

p, c - presiunea vaporilor suprasaturați și concentrația substanței în soluția suprasaturată, p s- presiunea de echilibru a vaporilor saturați pe o suprafață plană, s s- solubilitatea de echilibru corespunzatoare formarii unei noi faze.

Condensul este facilitat de particule minuscule. De exemplu, produsele de ardere a combustibilului pentru aeronave, particulele de sol etc. pot servi drept nuclee de condensare a vaporilor de apă.

Când nu există nuclee de condensare, picăturile pot exista în stare suprarăcită. Când vaporii se condensează în aceste condiții, nu se vor forma picături, ci cristale. Procesul de tranziție a unei substanțe gazoase într-un solid, ocolind starea lichidă, se numește desublimare.

sublimare -trecerea unui solid într-un gaz fără a trece printr-un lichid.

Metodele de condensare se bazează pe procese spontane care sunt însoțite de o scădere a energiei Gibbs.

În timpul nucleării și formării particulelor dintr-o soluție suprasaturată sau fază gazoasă, potențialul chimic se modificăm, apare o interfață de fază, care devine purtătoarea energiei de suprafață liberă în exces.

Condensul poate fi fizic sau chimic.

Condens fizic - efectuată atunci când temperatura unui mediu gazos care conține vapori de diverse substanțe scade.

Distilarea izotermă : reducerea dimensiunii particulelor mici până când acestea dispar complet și creșterea particulelor mari.

MEMBRANE SI PROCESE DE MEMBRANA

Membrane- compartimentari semipermeabile prin care se realizeaza osmoza. Osmoză- un proces spontan de transfer al unui solvent (mediu de dispersie) printr-o membrană dintr-un solvent (soluție mai puțin concentrată sau coloidală) într-o soluție (sau într-o soluție mai concentrată).

Membranele sunt filme subțiri poroase; sunt sisteme bidimensionale foarte dispersate.

Cel mai adesea, membranele sunt folosite pentru a purifica lichidele de impurități folosind osmoză inversă (mișcarea impurităților dizolvate printr-o membrană sub influența presiunii externe)

Fig. 7.2 Schema de osmoză (a), osmoză inversă (b), ultrafiltrare și dializă (c).

1. mediu de dispersie (lichid pur) lichid, 2. T/L coloidal sau soluție adevărată, 3. membrană, 4. curgere de lichid pur (solvent), 5. flux de impurități.

Dacă se aplică presiunea P din sistemul dispersat 2, atunci fluxul de lichid din regiunea 2 se va muta în regiunea 1. Doar moleculele de solvent trec prin membrana 3 (datorită mobilității lor mai mari). Conținutul regiunii 1 va fi îmbogățit cu lichid pur, iar în regiunea 2 impuritățile vor fi concentrate.

Direcția de mișcare a lichidului în osmoză inversă este opusă mișcării acestuia în cazul osmozei.

Munca necesară pentru implementarea osmozei inverse este cheltuită pentru forțarea lichidului prin pori:

W os = D R V (7.4)

Dp este căderea de presiune pe ambele părți ale membranei,

V- volumul de lichid care trece prin membrane.

D p = P - p (7.5)

P - exces de presiune deasupra soluției,

p- presiune osmotica.

Din egalitatea 7.5 rezultă că P> p. Această condiție determină excesul de presiune necesar pentru a se produce osmoza inversă.

Cu ajutor dializă(7.2, c) sistemul dispersat este purificat de impurități sub formă de ioni sau molecule. Sistemul dispersat este plasat în partea dreaptă 2 a vasului, separat de partea stângă 1 prin membrana 3. Membrana este permeabilă la molecule și ioni, dar reține particulele fazei dispersate. Ca urmare a difuziei, impuritățile dintr-o zonă cu concentrație mai mare 2 se vor muta spontan într-o zonă cu concentrație mai mică 1.

Purificarea unei soluții coloidale prin dializă poate fi intensificată prin aplicarea unei presiuni externe p (7.2, c). În acest caz, procesul se numește ultrafiltrare.

Osmoza inversă, dializa, ultrafiltrarea sunt folosite în diverse scopuri, dar au multe în comun echipamente similare;

Principiul de bază al funcționării membranei este permeabilitatea selectivă, care este determinată de dimensiunea porilor, proprietățile sistemelor care sunt curățate și presiunea exterioară.

Pe lângă soluțiile purificatoare, membranele contribuie la echilibrul electroliților în prezența particulelor sau ionilor ale căror dimensiuni nu le permit să pătrundă prin pori, așa-numitele echilibrul membranei, care este de importanță practică pentru soluțiile DIU, în procesele de umflare a substanțelor și în diferite procese fiziologice.

Tehnologia membranei este mult mai eficientă decât alte tehnologii similare și necesită costuri mai mici de energie.

MOTIVUL PROPRIETĂȚILOR CINETICE MOLECULARE

Toate proprietățile cinetice moleculare sunt cauzate de mișcarea termică haotică a moleculelor mediului de dispersie, care constă în mișcări de translație, rotație și vibrație ale moleculelor.

Moleculele au energii cinetice diferite. Cu toate acestea, la o anumită temperatură, energia cinetică medie a moleculelor rămâne constantă. Fluctuația valorilor energiei cinetice ale moleculelor unui mediu de dispersie este cauza proprietăților cinetice moleculare.

Proprietățile cinetice moleculare se manifestă în mediile de dispersie lichide și gazoase.

MIȘCARE BROWNIANĂ

Cele mai mici particule de masă nesemnificativă suferă impacturi inegale din moleculele mediului de dispersie. Figura arată forța rezultată F, care determină mișcarea particulelor.

Fig. 7.3 Influența moleculelor unui mediu de dispersie asupra unei particule din faza dispersată.

Direcția și impulsul acestei forțe se schimbă constant, astfel încât particulele se mișcă într-o manieră haotică.

Einstein și Smoluchowski au reușit să determine direcția forței rezultate și să o conecteze cu proprietățile cinetice moleculare ale mediului în 1907, independent unul de celălalt.

Calculele lor s-au bazat nu pe calea adevărată a particulelor, ci pe deplasarea particulelor (Fig. 7.4).

Calea particulei este determinată de o linie întreruptă și de deplasare X caracterizează modificarea coordonatei unei particule într-o anumită perioadă de timp. Deplasarea medie va determina deplasarea medie pătratică a particulei:

(7.6)

x 1, x 2, x i- deplasarea particulelor într-un anumit timp.

Teoria mișcării browniene se bazează pe ideea interacțiunii unei forțe aleatorii f( t) , care caracterizează impactul moleculelor și, și forțelor Ft, în funcție de timp și forța de frecare atunci când particulele fazei dispersate se mișcă într-un mediu de dispersie cu o viteză v. Ecuația mișcării browniene(ecuația Langevin) are forma:

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

Unde m- masa particulelor,h- coeficientul de frecare în timpul mișcării particulelor.

Pentru perioade mari de timp, inerția particulelor, adică termenul m(dv/ dt) poate fi neglijat. După integrare 7.7. cu condiția ca produsul mediu al impulsurilor forței aleatoare să fie egal cu zero, găsiți deplasarea medie:

(7.8)

Unde t- timp, h- vâscozitatea mediului de dispersie, r-raza particulelor de fază dispersată.

Mișcarea browniană este cea mai pronunțată în sistemele foarte dispersate. Înțelegerea motivelor și dezvoltarea teoriei mișcării browniene este o dovadă strălucitoare a naturii moleculare a materiei.

DIFUZIA

Difuzia- procesul de răspândire spontană a unei substanțe dintr-o zonă de concentrație mai mare într-o zonă de concentrație mai mică.

Tipuri de difuzie:

1. molecular;

2. ionic;

3. difuzia particulelor coloidale.

Difuzia ionică este asociată cu mișcarea spontană a ionilor. Formarea unui strat difuz de contraioni pe suprafața particulelor de fază dispersată are loc în funcție de mecanismul difuziei ionilor.

Difuzia particulelor coloidale foarte dispersate este prezentată în Fig. 7.5.n 1 > n 2 . Adică difuzia merge de jos în sus. Difuzia se caracterizează printr-o anumită viteză de mișcare a unei substanțe prin secțiunea transversală B, care este egală cu dm/ dt.

La distanta Dx diferența de concentrație va fin 2 - n 1 , această valoare este negativă.

dn/ dx este gradientul de concentrație.

Viteza de mișcare a materiei:

dm = – D·( dn/ dX) · Bdt (7.9)

D- coeficientul de difuzie.

Ecuația 7.9 - ecuația de difuzie de bazăîn formă diferenţială. Este valabil pentru toate tipurile de difuzie In forma integrala este aplicabila pentru doua procese: staționar și non-staționar.

Pentru un proces staționar, gradientul de concentrație este constant. Integrând 7.9., obținem:

m = – D(dn/ dX) Bt- Prima lege a lui Fick (7.10)

Sensul fizic al coeficientului de difuzie : Dacă- dn/ dX= 1, V = 1, t= 1, atunci m = D, adică coeficientul de difuzie este numeric egal cu masa substanței care difuzează atunci când gradientul de concentrație, aria secțiunii transversale a fluxului de difuzie și timpul sunt egale cu unitatea.

Particulele coloidale sunt caracterizate printr-un coeficient minim de difuzie.

Difuzia este cuantificată coeficientul de difuzie, care este legat de deplasarea medie:

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

D= kT/ (6 phr) (7.12)

k= R/ N A .

Din această formulă este clar că coeficientul de difuzie depinde și de forma particulelor, astfel, cunoscând coeficientul de difuzie, puteți determina dimensiunea particulelor fazei dispersate.

OSMOZĂ

Când două soluții de concentrații diferite sunt separate printr-o partiție semipermeabilă, are loc un flux de solvent de la o concentrație mai mică la una mai mare. Acest proces se numește osmoză.

1 - vas cu o soluție, 2 - recipient cu lichid curat, 3 - despărțitor semipermeabil (membrană).

Explicația termodinamică a osmozei:

Potențialul chimic al unui lichid purm 2 depășește potențialul chimic al aceluiași lichid în soluțiem 1 .Procesul decurge spontan în direcția unui potențial chimic mai mic până când potențialele chimice sunt egalizate.

Ca rezultat al mișcării lichidului în recipientul 1, se creează o presiune în excesp, numit osmotic. Solventul care pătrunde în zona 1 ridică nivelul lichidului la o înălțime H, care compensează presiunea solventului pur.

Presiune osmotica - exces de presiune deasupra soluției, care este necesară pentru a preveni transferul solventului prin membrană.

Presiunea osmotică este egală cu presiunea pe care o produce faza dispersată dacă aceasta, sub formă de gaz la aceeași temperatură, ar ocupa același volum ca și sistemul coloidal (soluție). Presiunea osmotică apare spontan ca o consecință a proprietăților cinetice moleculare ale mediului de dispersie.

Presiunea osmotică pentru soluții ideale non-electrolitice:

pV = RTln(1 – X) (7.13)

V- volumul molar al solventului, x - fracția molară a substanței dizolvate.

În cazul soluțiilor diluate de neelectroliți:

pV = nRT (7.14)

Unde n- numărul de moli de dizolvat.

Dacă masa de dizolvat = q, masa = M, atunci n = q/M, atunci:

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

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

r- densitatea particulelor, m- greutatea moleculară a particulelor din faza dispersată, r- raza particulelor de fază dispersate.

Apoi:

(7.17)

Din această formulă rezultă că presiunea osmotică este direct proporțională cu concentrația fazei dispersate și invers proporțională cu dimensiunea acestor particule.

Presiunea osmotică a soluțiilor coloidale este nesemnificativă.

SEDIMENTARE

Sedimentare- sedimentarea particulelor de fază dispersată, sedimentare inversă - plutirea particulelor.

Fiecare particulă din sistem este acționată de forța gravitațională și de forța de ridicare a lui Arhimede:

F g = mg= vgrȘi F A = vgr 0 (7.18)

Unde r, r 0 - densitatea particulelor fazei dispersate și a mediului de dispersie, m- masa particulelor, v- volumul particulelor, g- accelerarea gravitației.

Aceste forțe sunt constante și direcționate în direcții diferite. Forța rezultată care provoacă sedimentarea este:

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

Dacă r> r 0 , atunci particula se depune, dacă dimpotrivă, plutește în sus.

Când o particulă se mișcă laminar, apare rezistență - forță de frecare:

F tr = B u (7.20)

B - coeficientul de frecare, u- viteza de mișcare a particulelor.

Forța care acționează asupra unei particule în timpul mișcării:

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

Odată cu creșterea vitezei și a unui coeficient de frecare suficient de mare, vine un moment în care forța de frecare atinge forța care provoacă sedimentarea și forța motrice va fi egală cu zero. După aceasta, viteza particulei devine constantă:

u = vg(r (7,23)

Cunoscând cantitățile incluse în ecuație, puteți găsi cu ușurință raza particulelor fazei dispersate.

Capacitatea de sedimentare se exprimă prin constanta de sedimentare:

S sed = u/g (7.24)

Fenomenul de sedimentare este utilizat pe scară largă în diverse industrii, inclusiv adesea folosit pentru analiza sistemelor dispersate.