Лабы эпс
.pdfФедеральное агентство по образованию
Московская Государственная академия тонкой химической технологнн им. М. В. Ломоносова
Кафедра коллоидной химии
Г.А. Симакова, Е.В. Еськова, Б.В. Покидько
Лабораторный практикум «Электроповерхностные свойства и устойчивость
дисперсных систем»
Москва, 2009г.
www.mitht.ru/e-library
УДК 54] .18.051+541.18.046
ББК24.6
Рецензент: доц. Кудряшова З.Л.
Пр~ по разделу коллоидной химии «Поверхностные явления и дисперсные системы» «Электроповерхностные свойства и устойчивость дисперсных систем». Симакова Г. А., Еськова Е. В., Покидько Б.В.! под ред. Туторского И. А. Учебно методическое пособие. - М.: ИПЦ МИТХТ, 2009г.
Учебно-методическое пособие предназначено для
выполнения лабораторных работ по дисциплине «Поверхностные явления и дисперсные системы»
студентами 3 - 4 курсов бакалавриата. В предлагаемом
пособии представлен теоретический материал и описание
лабогаторных |
работ |
по |
дисциплине: |
«Этrектроповерхностные свойства и устойчивость ДИ' TepcHbIX систем. Растворы ВМС».
Пособие составлено в полном соответствии с учебной программой бакалeusриата по направлениям:
55C;~OO «Химическая технология и биотехнология»; 510500 «~(имия»; 551600 «Материаловедение и технология HOBbIX
~, (rериалов»; 553 :i, \11 ~ващита окружающей CpeДbI».
Утверж" , Библиотечной-издательской комиссией '\ПfТХТ в Ka~!".cтвe учебно-мето;.t1ческого пособия.
www.mitht.ru/e-library
Оглавление
1. Введение
2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ РАБОТА 1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ И ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НА НЕГО ЭЛЕКТРОЛИТОВ
РАБОТА 2.
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ КОАГУЛЯЦИИ ЛАТЕКСОВ,СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ИОНОГЕННЫМИ ПАВ.
РАБОТАЗ.
КОЛЛОИДНАЯ ЗАЩИТА.
РАБОТА 4.
ПОЛУЧЕНИЕ ЭМУЛЬСИЙ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ
ФИЗИКа-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ.
РАБОТА 5.
ПОЛУЧЕНИЕ ПЕН И ИЗУЧЕНИЕ их
УСТОЙЧИВОСТИ.
РАБОТА 6.
ИССЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВЯЗКОСТИ РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ ОТ ИХ
КОНЦЕНТРАЦИИ. РАБОТА 7.
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ОГРАНИЧЕННОГО НАБУХАНИЯ ПОЛИМЕРА.
РАБОТА 8.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТОЧКИ
АМФОТЕРНОГО ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТА.
- 3 -
www.mitht.ru/e-library
1. Введение
Одним из важнейших свойств дисперсных систем
является их устойчивость, т. е. способность сохранять своё первоначальное состояние. Различают седиментационную
и агрегативную устойчивость системы.
Седиментационная или, кинетическая устойчивость характеризует способность системы к равномерному
распределению частиц по всему объёму системы. Эта
устойчивость зависит от интенсивности теплового
движения частиц, влияния на них гравитационного поля и
вязкости дисперсионной среды. Коллоидные системы, особенно лиозоли, имеющие частицы малого размера, обладают достаточно высокой седиментационной устойчивостью. Грубодисперсные системы, например
суспензии или эмульсии, относятся к седиментационно
неустойчивым системам.
Наибольшее теоретическое и практическое значение имеет агрегативная устойчивость коллоидных систем, т. е.
способность частиц не слипаться и сохранять
первоначальный размер. Агрегативная устойчивость определяется свойствами поверхности или поверхностного
слоя на границе дисперсной фазы и дисперсионной среды,
т.е. определяется поверхностной энергией или силами,
действующими между частицами в поверхностных слоях.
Имеются две трактовки агрегативной устойчивости -
термодинамическая и с позиций физической кинетики.
Согласно термодинамической трактовке причины агрегативной неустойчивости заключены в самих
признаках коллоидного состояния системы |
ее |
гетерогенности и высокой дисперсности. Совокупность этих признаков обуславливает достаточно высокое значение свободной поверхностной энергии, что и является
причиной неустойчивости коллоидной системы.
Снижение поверхностной энергии, а значит более устойчивое состояние системы, возможно либо в
результате уменьшения поверхности (коагуляция), либо в
-4-
www.mitht.ru/e-library
результате уменьшения поверхностного натяжения за счет
адсорбции третьего компонента - стабилизатора на границе
раздела фаз (стабилизация). Следовательно, присутствие в системе стабилизатора может обеспечивать постоянство
размера частиц и является неоБХОДИМЬDd условием
существования коллоидной системы.
В зависимости от природы стабилизатора различают термодинамические и кинетические факторы устойчивости
(стабилизации) дисперсных систем. К термодинамическим факторам устойчивости относятся:
lЭлектростатический фактор, заключающийся в
уменьшении поверхностного натяжения вследствие
возникновения двойного электрического слоя на
поверхности частиц в соответствии с уравнением
Липпмана.
2.Адсорбционно-сольватныЙ фактор, состоящий в
уменьшении поверхностного натяжения в результате
взаимодействия частиц с дисперсионной средой (уравнение Дюпре) или благодаря адсорбции
стабилизатора (адсорбционное уравнение Гиббса).
3Энтропийный фактор, проявляющийся в
стремлении дисперсной фазы к равномерному
распределению по всему объёму системы под действием
теплового движения. К кинетическим факторам
устойчивости относятся:
1.Ctpyktypho-механическиЙ фактор, связанный с тем, что на разрушение плёнок, образующихся в результате адсорбции на поверхности частиц длинноцепочечных ПАВ
и макромолекул ВМС, и обладающих упругостью и механической прочностью, требуется энергия и время.
·2.ГидродинамическиЙ фактор, заключающийся в
снижении скорости движения частиц при изменении
вязкости и плотности дисперсионной среды. для реальных
систем наиболее характерны смешанные факторы,
агрегативная устойчивость обеспечивается действием нескольких факторов одновременно.
- 5 -
www.mitht.ru/e-library
Каждому фактору устойчивости соответствует специфический метод его подавления. Например, электростатический фактор очень чувствителен к введению электролита. Действие структурно-механического фактора
можно подавить с помощью веществ, разжижающих
упругие структурированные слои на поверхности частиц, а
также механическим и термическим способами и др.
Устойчивость дисперсных систем определяется
балансом сил притяжения и сил отталкивания частиц. Силы притяжения обусловлены межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса, из которых наиболее
универсальными являются лондоновские силы
дисперсионного взаимодействия, изменяющиеся по
степенному закону. По теории ДЛФО (Дерягина, Ландау,
Фервея, |
Овербека), |
учитывающей |
только |
электростатическую составляющую расклинивающего
давления, энергия отталкивания убьmает с расстоянием по
экспоненциальному закону.
Суммарная энергия взаимодействия частиц равна
(1.1)
где К - константа, зависящая от величины потенциала
диффузионного слоя, его толщины, диэлектрической
проницаемости дисперсионной среды; А - константа
Гамакера, являющаяся суммой констант когезионного и адгезионного взаимодействия; h - расстояние межму
частицами; n - показатель степени, изменяющийся от 1 до
3.
Взаимодействие двух частиц дисперсной фазы
принято характеризовать с помощью потенциальных
кривых зависимостей энергии взаимодействия от
расстояния (рис. 1)
-6-
www.mitht.ru/e-library
U(h)
h
Рис. 1.1 Зависимость энергии электростатического
отталкивания Uэ, энергии молекулярного притяжения UM и
суммарной энергии взаимодействия частиц (пластин) U от
расстояния.
Суммарная потенциальная энергия имеет сложный вид. При h ~ О Uотт=соnst, а Uпр ~ 00 • Следовательно, на
малых расстояниях преобладает притяжение. На больших расстояниях также преобладает притяжение, поскольку
степенная функция убьmает значительно медленнее, чем
экспоненциальная. В ближнем минимуме происходит
необратимая коагуляция частиц, приводящая к
образованию конденсационно-кристаллизационных
структур, в дальнем |
обратимая коагуляция с |
обраЗованием коагуляционных структур, сохраняющих
прослойки среды между частицами. На средних
расстояниях преобладают силы отталкивания и система находится в устойчивом состоянии. Возможность сближения частиц в элементарном акте определяется
··7-
www.mitht.ru/e-library
высотой барьера и глубиной минимума и зависит от
различных внешних воздействий.
Рассмотренные факторы и закономерности
устойчивости и коагуляции в дисперснь~ системах
относятся к лиозолям, микрогетерогенным системам
(эмульсиям |
и |
пенам). |
2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
РАБОТА 1.
ОПРЕДЕЛЕНИЕЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО
ПОТЕНЦИАЛА КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ И ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НА НЕГО ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Цель работы
Определение электрокинетического потенциала
методом макроэлектрофореза; изучение влияния
концентрации противоионов на электрокинетический
потенциал; изучение влияния валентности противоионов
на электрокинетический потенциал.
Теоретическая часть
На границе раздела твердой фазы и раствора, как
правило, возникает двойной электрический слой. Происхождение его может быrь двояким. Во-первь~,
возможна ионизация молекул, составляющих
поверхностный слой твердой фазы, например ионизация
молекул Н2SiОз, образующихся на поверхности частиц
Si02 в воде. При этом один из ионов (противоион Нl
переходит в раствор, тогда как другой, связанный с
дисперсной фазои более прочно (потенциалопределяющий
ион SiO/"), остается на поверхности частиц. Во-вторых, на
поверхности твердой фазы может происходить адсорбция
одного из ионов, присутствующего в растворе электролита.
При этом преимущественно адсорбируются ионы,
входящие в состав твердой фазы или изоморфные с ними
- 8 -
www.mitht.ru/e-library
(например, Г или Ag+ для золя AgI). Если ДВОЙНОЙ
электрический слой возникает в высокодисперсных и,
следовательно, обладающих седиментационной
устойчивостью системах, то образуется агрегативно
устойчивый коллоидный раствор.
Представления о строении двойного электрического слоя (ДЭС) отличаются друг от дРуга, в основном, объяснением расположения противоионов у межфазной границы. Согласно современным взглядам ДЭС состоит из
заряженной поверхности с потенциалом q> и противоположно заряженной части слоя, в которой
находятся противоионы (рис. 2. 1). Некоторое число
противоионов прочно связано с ядром мицеллы в
результате действия как электростатических, так и
адсорбционных сил и образует так называемый
адсорбционный слой противоионов |
слой Штерна. |
Остальные противоионы, благодаря тепловому движению
ивзаимному отталкиванию, находятся на некотором
расстоянии от межфазной границы, образуя диффузный
слой ионов, который удерживается у поверхности только
электростатическими силами.
Толщина плотного слоя Штерна принимается равной диаметру противоиона. эту часть ДЭС можно
рассматривать как плоский конденсатор, потенциал
которого с увеличением расстояния от поверхности
снижается линейно. По теории Гун - Чепмена протИвоионы диффузионной части ДЭС распределяются в поле
поверхностного потенциала в соответствии с законом
Больцмана. Теория показывает, что потенциал
диффузионной части слоя снижается с расстоянием по
эксп<щенте. При малом значении потенциала эта
зависимость выражается уравнением |
|
|
lP = lPoe- |
ХХ |
(2.1) |
|
-9-
www.mitht.ru/e-library
Плоск.осm.ь С/(ОЛЬЖeJIНUR
+
+.
+
.+
+
+
+
л
Рис. 2.1 Строение ДЭС
где ерб - потенциал диффузного слоя; х - расстояние от
начала диффузной части ДЭС; Х - величина, обратная толщине диффузной части слоя.
Из уравнения (2.1) следует, что за толщину диффузной части слоя принято расстояние, на котором потенциал диффузной части слоя ерб уменьшается в е раз.
В соответствии с той же теорией толщина диффузной
части слоя равна
(2.2)
где Ео - электрическая постоянная; Е- относительная
диэлектрическая проницаемость среды; F- постоянная
Фарадея; 1 - ионная сила раствора; COi - концентрация иона
в растворе; Zi - заряд иона электролита.
Из уравнения (2.2) следует, что л уменьшается с
ростом концентрации электролит~ заряда его ионов и с
понижением температуры.
~ 10 ~
www.mitht.ru/e-library