Лабы эпс

Федеральное 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

«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

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,

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

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

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

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

-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