Suprafața specifică. Gradul de dispersie. clasificare
sisteme disperse. Concepte: faza dispersată și dispersia
Miercuri. Metodele de producere a sistemelor disperse
Numitul sistem dispers, în care o singură substanță este dispersată într-un alt mediu, care este interfața de delimitare între particulele și mediul de dispersie. Sistemele disperse constau dintr-o fază dispersată și mediul de dispersie.
Faza dispersată - sunt particule dispersate în mediul înconjurător. Caracteristicile sale: dispersie și discontinuitate (Figura 1.1.1.1.).
Mediul de dispersie - mediul material în care faza dispersată. caracteristică ei - continuitatea.
Interfața de suprafață se caracterizează prin fragmentare și eterogenitate. Fragmentarea se caracterizează prin:
1) Gradul de dispersie. . [Cm1; m -1], în cazul în care # 61523; S - suprafața interfacială totală sau suprafața particulelor fazei dispersate; V - volumul particulelor fazei disperse.
2) dispersia - reciproca a dimensiunii minime:
3) suprafața specifică. . [M 2 / kg; cm2 / g]; # 61484, # 61472, unde m - masa particulelor fazei disperse.
4) suprafață de curbură. . Pentru particule cu forme neregulate,
unde r1 și r2 - razele cercurilor când trec prin suprafața și normală la ea în acest moment două planuri perpendiculare.
5) mărimea corpului în trei axe. și determinarea unei rezoluții a axei în cazul în care acesta este minim. În funcție de mărimea particulelor, ei au numele lor istorice (vezi. Fig. 1.1.1.1).
Sistemele de clasificare disperse realizate de mai mulți factori (Fig. 1.1.1.2).
Conform dispersiei distincției:
a) sisteme dispersate grosolan pentru D lor <10 3 [1/см] (рис. 1.1.1.3);
b) Sistemul microheterogeneous pentru pe luna martie 10 D = - 10 Mai [1 / cm];
c) sistemul ultramicroheterogeneous pentru D lor = 10 May - al 10-lea luna iulie [1 / cm].
Starea de agregare a mediului de fază și dispersia dispersată. Această clasificare a fost propusă de Ostwald (vezi. Tabelul. 1.1.1.1).
Conform structurii sistemelor disperse se disting:
sistem dispers liber ca particulele cele două componente ale sistemului se pot deplasa liber în raport cu celălalt (sol);
dispersii asociate, atunci când una dintre componentele sistemului este un sistem structurat, adică Particulele de fază sunt interconectate rigid (materiale compozite pe bază de gelatină).
Clasificarea stării fazei de agregare
Starea fizică a fazei disperse
Conform interacțiunii interfaciale - sistem liofilizați și lyophobic (propus de H. Freundlich). Clasificarea este adecvat numai pentru sistemele cu mediu de dispersie lichid.
Sistemul liofilici - în care faza dispersată reacționează cu mediul de dispersie și în anumite condiții, este capabil să se dizolve - soluții de surfactant coloidale, soluțiile DIU. Energia liberă a sistemului DF <0.
în cazul în care Wkog - activitatea de coeziune;
Wsolv - solvatare de lucru.
Când DU> 0, D U <0 Ю TdS> D U. Acest grup este caracterizat printr-o valoare scăzută a tensiunii superficiale la limita de fază.
Sistemul Lyophobic - în care faza dispersată nu este capabilă să interacționeze cu mediul de dispersie și dizolvat în acesta. Pentru ei, DF> 0. Dispersia în acest caz este realizată fie printr-o operație externă sau prin alte procese care au loc în sistemul spontan (reacție chimică) și are o tensiune superficială ridicată la interfața care corespunde unei energii de solvatare valoare mică.
Există două grupe de metode de preparare a sistemelor disperse:
Metodele de dispersie sunt ca așchierea a corpului la starea (producerea făinii) coloidal.
metode de condensare constau în particule de extindere, atomi, molecule de particule de dimensiuni coloidale (reacție chimică pentru a forma un precipitat).
Proprietățile moleculare cinetice ale sistemelor disperse
Toate proprietățile cinetice moleculare datorate mișcării termice aleatoare a moleculelor din mediul de dispersie, care este compus din mișcare de translație, rotație și vibrație a moleculelor.
Moleculele mediul de dispersie lichid și gazos sunt în continuă mișcare și se confruntă reciproc. Distanța medie parcursă înainte de o coliziune cu o molecula de vecina numita drumul liber. Moleculele au diferite energii cinetice. La această temperatură, valoarea medie a energiei cinetice a moleculelor rămâne constantă, în valoare de o singură moleculă și un mol de:
unde m - masa unei molecule;
M - masa molară;
v - viteza moleculelor;
k - este constanta Boltzmann;
R - constanta universală a gazelor.
Fluctuația energiei cinetice a valorilor moleculelor medii de dispersie (adică abaterea de la medie) și este cauza proprietăților cinetice moleculare.
Studiul proprietăților cinetice moleculare poate avea ca rezultat aplicarea unor metode statistice care sunt valabile pentru sistemele care constau dintr-o multitudine de elemente (molecule). Pe baza ipotezei de mișcare aleatorie a teoriei moleculelor individuale determină combinația cea mai probabilă a unei multitudini de sisteme pentru obiecte. proprietăți cinetice moleculare se manifestă în mediul lichid sau gazos, moleculele din care posedă o anumită mobilitate.
Browniană numit echiprobabile haotic continuă pentru toate direcțiile de mișcare a particulelor mici suspendate în lichide sau gaze, prin acțiunea moleculelor din mediul de dispersie.
Cele mai mici particule de masă neglijabilă se confruntă cu lovituri inegale de moleculele din mediul de dispersie, o forță care conduce impulsul particulelor și direcția forței se schimbă în mod continuu, prin urmare particula efectuează mișcare haotică.
Am identificat aceste schimbări și le legat cu proprietățile moleculare-cinetice ale mediului în 1907 A. Einstein și M. Smoluchowski. Baza de calcul - nu este adevărat cale a particulelor fazei dispersate și forfecare a particulelor. În cazul în care calea unei particule este definită printr-o linie întreruptă, trecerea de coordonata X reprezintă schimbarea particulei pentru o anumită perioadă de timp. schimbare medie determină deplasarea medie pătrată a particulei:
Teoria mișcării browniene vine din reprezentarea interacțiunii forței aleatoare f (t), care caracterizează poansoanele molecule forța Ft. dependente de timp, iar forța de frecare atunci când particulele de fază disperse în mediul de dispersie curge cu viteza v. Brourovskogo ecuația de mișcare (ecuația Langevin) are forma :. unde m - masa particulei; h - vâscozitatea mediului de dispersie. Pentru intervale mari de timp (t >> m / h) inerția particulelor (m (dv / dt) pot fi neglijate După integrarea ecuației cu condiția ca produsul mediu al unei puteri aleatoare de impulsuri este zero, valoarea medie jitter (forfecare scăzută) este: .. Unde t - timp; r - raza particulelor fazei dispersate; NA - numărul Avogadro de particule.
În această formulă descrie proprietățile moleculare și cinetice ale mediului de dispersie, h - o viscozitate, r - raza particulelor - un parametru legat de faza dispersată și timpul t definește interacțiunea dintre mediul de dispersie din faza dispersată.
In afara de translație poate rotative mișcare browniană a particulelor pentru particulele cu două dimensiuni și forme neregulate (toroane, fibre, fulgi etc.).
mișcare browniană cel mai intens manifestat în sisteme foarte disperse (particule de dimensiuni 10 -9 m până la 10 -7 g), în ciuda faptului că moleculele medii de dispersie, de asemenea, acționează asupra sistemelor de particule grosiere și mediul. Dar, din cauza dimensiunii semnificative a numărului de particule de coliziuni de molecule crește brusc. Conform legilor statisticii, impulsul forțelor din moleculele mediului sunt compensate reciproc, iar masa considerabilă și inerția particulelor mari lasă efectele moleculelor fără consecințe.
Difuzia numit material de înmulțire spontană dintr-o regiune de concentrație mai mare la o concentrație mai mică. Următoarele tipuri de difuzie: moleculare, ionice și particule coloidale.
difuzie Ion asociată cu mișcarea spontană a ionilor.
Difuzia puternic dispersat particule coloidale este prezentat în Fig. 1.1.2.1. In partea de jos a concentrației de particule este mai mare decât în partea superioară, adică
concentrației de particule, N - numărul de particule de fază dispersă Vd.s. - volumul dispersiei). Difuzia este direcționat dintr-o regiune de concentrație mai mare la o concentrație mai mică, adică, direcția în sus (în Fig. săgeata). Difuzia se caracterizează printr-o anumită viteză de deplasare a materialului prin secțiunea transversală, care este egal cu W ..
La o distanță diferență de concentrație Dx va fi v2 - v1. t la. v1> v2. această valoare este negativă. Modificările concentrației pe unitatea de distanță, un gradient de concentrație se numește sau (c dif. Form).
Rata de transmitere a unei substanțe este proporțională cu gradientul concentrației și zona prin care fluxul de difuzie a traficului AV, adică
- Ecuația de difuzie de bază în formă diferențială.
Rata de difuzie () valoarea pozitivă, iar gradientul de concentrație - negativ.; astfel încât înainte de partea dreaptă a ecuației - „minus“ semn. Coeficientul de proporționalitate D - este coeficientul de difuzie. Ecuația de bază este valabilă pentru toate tipurile de difuzie. inclusiv și particule coloidale. În formă integrată se aplică pentru cele două procese - constantă și continuă și instabilă:
pentru un proces staționar: = const. Un număr semnificativ de procese de difuzie aproape de staționare. Integrarea. obținem:
- legea I-st Fick de difuzie.
Semnificația fizică a coeficientului de difuzie D: dacă - = 1, B = 1 și t = 1, atunci m = D. și anume Coeficientul de difuzie este numeric egală cu masa substanței difuzând atunci când gradientul de concentrație, fluxul de difuzie aria secțiunii și unitatea de timp sunt egale. Numai egalitatea numerică, deoarece dimensiunea coeficientului de difuzie [m2 / s] nu se potrivește cu dimensiunile de masă.
pentru proces nestaționar: № const. Apoi, integrarea ecuației de bază pentru schimbările în gradientul concentrației devine complicată. In absenta gradienții de temperatură într-un mediu, presiune, potențial electric este definit de masa ecuația substanței m1. transportat prin difuziune în unitatea de timp prin unitatea de suprafață a suprafeței perpendiculară pe direcția de transport (B = 1 și t = 1). subiect care poate fi determinat distribuția spațială-temporală a concentrației:
- a doua lege a lui Fick.
Fig. Acesta prezintă o difuzie unidimensional, care determină mișcarea substanței într-o singură direcție. Este de asemenea posibil două și materialul de difuzie tridimensional (material de difuzie, în două sau trei direcții) descrise de ecuația :. unde I - vectorul de difuzie densitate de flux; grad v - concentrația de gradient de câmp.
Pentru difuzie tridimensională a doua lege a lui Fick, vom scrie.
Pentru ecuația de difuzie bidimensional în partea dreaptă ne limităm expresiile pentru x și y.
Coeficientul de difuzie pentru speciile sale sunt distribuite după cum urmează: Ion - D = 10 -8 m 2 / s; molecular - D = 10 -9; particulele coloidale - D = 10 -10. Acest lucru arată că difuzia particulelor coloidale este dificilă în comparație cu celelalte două specii. Astfel, viteza de difuzie a particulelor de caramel (disperseze fază - o soluție coloidală) de 100 - 1000 de ori mai mică decât viteza de difuzie a moleculelor de zahar (solutie moleculara). Prin urmare, în gazul D este crescut la 10 -4. în solide este redusă la 10 -12 m 2 / s.
Cantitativ difuzie este determinată de coeficientul de difuzie legat de mediu relația de compensare; - lungimea de difuzie.
Difuzia particulelor fine se realizează în mod aleatoriu, cu o probabilitate mai mare față de o concentrație mai mică. În derivarea următoarele ipoteze: a particulelor de fază dispersată, se mișcă independent unul față de celălalt, nu există nici o interacțiune între ele; energia medie a mișcării de translație a particulelor este de 0,5 kT.
Folosind formula pentru determinarea tura medie, coeficientul de difuzie poate fi reprezentat ca: (k - constanta Boltzmann egal). În cazul în care D este cunoscut, găsi dimensiunea particulelor:
; Yu mai mare dimensiunea particulelor, este mai mic coeficientul de difuzie este de difuzie mai puțin intensă în sine.
Difuzia manifestat pe deplin în sisteme foarte dispersate (10 -9 - 10 -7 m) au slăbit grosieră (10 -7 - 10 -5 m) și practic absente în sistemele de grosiere (> 10 -5 m). Coeficientul de difuzie depinde de forma particulelor, care nu este luată în considerare în ecuație. Prin urmare, formula determină numai dimensiunea particulelor coloidale sferice (sau dimensiuni reduse la particule sferice de formă neregulată).
Subiect 1.2.3. presiunea osmotică
Prin separarea celor două soluții de diferite concentrații sau soluții pur solvent și o membrană semipermeabilă (membrană) a debitului solventului are loc de la mic la concentrație mare, concentrația de aliniere. Acest proces este numit osmoză.
Diagrama (Fig. 1.2.3.1) într-un recipient cu o membrană semipermeabilă 3 este plasată soluție 1. Dividing trece mediu de dispersie (solvent), dar este o barieră pentru particulele coloidale (soluți). pereți exteriori - solvent curat 2. Concentrația soluției pe ambele părți ale peretelui despărțitor este diferită. In interiorul vasului 1 parte dintr-o soluție a moleculelor de solut ocupă (particule de fază dispersată) concentrația de solvent Yu aceasta este mai mică decât recipientul 2 cu solventul pur.
Pentru o concentrație mai mare prin difuzia fluidului din regiune este mutat într-o regiune de concentrație mai mică (din recipientul 2 în vasul 1). Din punct de vedere cinetic, acest lucru se datorează faptului că numărul de curse ale moleculelor de solvent ale membranei din plasă sau mai soluția diluată este mai mare decât din soluție, ceea ce face muta solventul prin porii membranei unde este mai mică (adică, la o soluție de ).
Din punct de vedere termodinamic. potențialul chimic al unui m2 lichid pur peste 1 m în soluție de solvent, procesul se întoarce spontan spre potențial mai mic chimic la alinierea lor: m 2 = m 1.
Ca rezultat, mișcarea lichidului din rezervorul 1 este p sub presiune, numit osmotic. Solvent penetrant la o soluție de 1, nivelul lichidului se ridică la o înălțime care compensează N. presiune pur solvent pentru soluție. Vine o vreme când greutatea coloanei de lichid din soluția de solvent egalizat presiune.
Presiunea osmotică - această suprapresiune asupra soluției, care este necesară pentru a elimina transferul solventului prin membrană. Presiunea osmotică egală cu presiunea care ar produce fază dispersată (solut), în cazul în care acesta este un gaz la aceeași temperatură pentru același volum ocupat ca sistem coloidal (soluție)
Presiunea osmotică p suficient soluțiile diluate coloidale pot fi găsite prin ecuația:
sau - ecuația lui van't Hoff
în care mobsch / greutate solutului m-; m - masa unei particule; V - volumul particulei; NA - numărul lui Avogadro; T - temperatura absolută; n - concentrarea parțială; k - este constanta Boltzmann; M - masa unui mol de substanță dizolvată; la - concentrarea în masă.