Вход

Устойчивость дисперсных систем, седиментация и диффузия

Реферат по химии
Дата добавления: 19 мая 2009
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 1.2 Мб (архив zip, 134 кб)
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Виды устойчивости дисперсных систем . Лиофобные и лиофильные золи Устойчивость диспе рсных систем – это возможность их нахождения в исходном состоянии неопределенно долгое время . Устойчивость дисперсных систем может быть : 1. К осаждению дисперсной фазы - характеризует способность дисперсной системы сохранять равновесное распределение фазы по объему дисперсионной среды или ее устойчивость к разделению фаз . Это свойство называется седиментационная (кинетическая ) устойчивость . 2. К агрегации ее частиц. Агрегативная устойчивость – это способность дисперсной системы сохранять неизменной во времени степень дисперсности, т.е. размеры частиц и их индивидуальность. Она обусловлена способностью дисперсных систем образовывать агрегаты (т.е. укрупняться). По отношению к агрегации дисперсные системы могут быть устойчивыми кинетически и термодинамически . Термодинамически устойчивые системы образуются в результате самопроизвольного диспергирования одной из фаз, т.е. самопроизвольного образования гетерогенной свободнодисперсной системы. Дисперсные системы также делят на: · лиофильные , обладающие термодина мической устойчивостью ; · лиофобные , которые термодинамически неустойчивы к агрегации , но могут быть устойчивы кинетически , т.е . обладать значительным временем жизни. Особенности этих двух видов устойчивости показаны на схеме : Термодинамическая устойчивость лиофильных систем означает , что они равновесны (энергия Гиббса G min ), обратимы и образуются самопроизвольно , как из макроф аз , так и из истинных растворов . Поскольку образуются гетерогенные системы , то поверхностная энергия должна быть скомпенсирована энтропийной составляющей , т.е . частицы дисперсной системы должны участвовать в молекулярно кинетическом (тепловом ) движении . О т сюда следует , что лиофильные системы могут быть только ультромикрогетерогенными , а поверхностное натяжение на границе «частица – среда» должно быть очень малым . Значение поверхностного натяжения , при котором обеспечивается термодинамическая устойчивость д и сперсных систем , определяется соотношением Ребиндера – Щукина : , где яяяя безразмерный коэффициент ; K – постоянная Больцмана ; а – средний размер частицы. Рас четы показывают , что межфазное поверхностное натяжение в лиофильных дисперсных системах в зависимости от размеров частиц может иметь значение от 1,4 10 -7 до 1,4 10 -3 Дж /м 2 . Типичными представителя ми лиофильных дисперсных систем являются растворы коллоидных поверхностно активных веществ (ПАВ ) (ассоциативные коллоиды ) и растворы полимеров (молекулярные коллоиды ). Лиофобные системы термодинамически неустойчивы, т.к. частицы дисперсной фазы склонны к агрегации. Их агрегативная термодинамическая неустойчивость обусловлена избытком поверхностной энергии. Межфазное натяжение в них больше рассчитанного по соотношению Ребиндера – Щукина, поэтому они не могут быть получены самопроизвольным диспергированием. Для их образования должна быть затрачена внешняя энергия. Укрупнение частиц дисперсной фазы при потере агрегативной устойчивости достигается двумя путями: 1. Изотермическая перегонка , т.е . растворение мелких и рост крупных частиц в соответствии с уравнением Кельвина ; 2. За счет слипания частиц , т.е . коагуляцией. В зависимости от природы среды и концентрации дисперсной фазы эти процессы могут заканчиваться или осаждением , или структурообразованием. При нарушении агрегативной устойчивости происходит коагуляция . Седиментация и диффузия . Гипсометрический закон . Седиментационно-диффузионное равновесие . Скорость седиментации Грубодисперсные системы под действием гравитационных сил будут оседать (седиментировать ). В результате в системе устанавливается определенно е равновесие распределения частиц по высоте . Коллоидные системы по устойчивости занимают промежуточное положение между истинными растворами ( max ) и грубодисперсными растворами ( min ). На каждую частицу дисперсной фазы действует 3 силы : 1. Сила тяжести F т . 2. Архимедова сила F A . 3. Сила трения F тр . Сила седиментации будет результирующей между первой и второй силой Если , F сед > 0 – происходит оседание частиц . Если F сед < 0 – то частицы всплывают . Результирующая сила , действующая на частицу : , где B – коэффициент трения ; U – скорость седиментации. Сила трения , согласно закону Стокса Отсюда уравнение скорости оседания и радиуса частиц Результатами седиментационного анализа может служить интервал радиусов частиц в данной системе, просто радиус частиц или доля фракций определенного радиуса. Способность к седиментации принято выражать через константу седиментации S , которая определяется скоростью седиментации : Для сферических частиц эта константа равна Из уравнения следует , что S зависит как от размеров частиц , так и от природы среды . За единиц у измерения S принят сведберг (сб ), равный 10 13 с. Часто для характеристики процесса седиментации используют удельный поток седиментации I сед. Удельный поток седиментации – это число частиц , оседающих в единицу времени через сечение единичной площади , норм альное к направлению седиментации. Размерность : [ i сед ] = част /см 2 * с. Из определения i сед следует : i сед = U сед * v , где v – частичная концентрация частиц в дисперсной системе. Подставив в это уравнение U сед , получим : Таким образом , удельный поток прямо пропорционален V , v , ( с – с о ) и обратно пропорционален S . Подставив эти выражения в уравнение , получим Значит , в случае сферических частиц удельный поток прямо пропорционален квадрату радиуса и обратно пропорционален вязкости среды. Рассматривая процесс седиментации , мы не учитываем броуновского движения , в котором участв уют частицы . Следствием броуновского движения , является диффузия , которая стремится выровнять концентрацию частиц по всему объёму , в то время как седиментация приводит к увеличению концентрации в нижних слоях. Таким образом , наблюдается два противоположных потока : поток седиментации i сед и поток диффузии i диф. , где В результате конкуренции этих потоков возможны три варианта : 1. , т.е. , т.е. Чтобы выполнилось это неравенство , значения Т и должны быть малы , а ( с – с о ) и v – вели ки . В реальных условиях эти параметры заметно изменить сложно , а радиус частиц в дисперсных системах изменяется в широком интервале : от 10 -7 до 10 - 2 см и именно радиус частиц является определяющим . Установлено , что данное нераве нство соблюдается , когда r 10 - 3 см . В этих случаях диффузией можно пренебречь , идёт быстрая седиментация – система является седиме нтационно неустойчивой. 2. , т.е . , т.е. Это условие должно выполняться , когда Т и велики , а ( с – с о ) и v – малы . Но и здесь решающую роль играет радиус частиц . У становлено , что это неравенство выполняется при r 10 - 5 см . В этом случае можно пренебречь седиментацией , диффузия приведёт к равн омерному распределению частиц по всему объёму сосуда . Дисперсная система является седиментационно устойчивой. 3. , т.е . , т.е. В системе имеет место седиментационно-диффузионное равновесие. Проинтегрируем это уравнение , разделив переменные : ; Примем , , где v o – концентрация частиц на дне сосуда ; v h – концентрация частиц на высоте h от дна. Отсюда - гип сометрический закон Лапласа-Перрена . В этом случае система является седиментационно-устойчивой , но распределение частиц в ней не равномерное , а равновесное . Это распределение наблюдается , когда 10 -5 < r < 10 - 3 см. Если сравнить седиментацию с учетом диффузии и без нее , то видно различие факторов обусловливающих кинетическую устойчивость . Эти факторы позволяют различать кинетическую седиментационную устойчивость (КСУ ) и термодинамическое равновесие , которого не может быть при КСУ. Мерой КСУ является величина , обратная константе седиментации. Эта устойчивость обеспечивается гидродинамическими факторами : вязкостью и плотностью среды , плотностью и размерами частиц . К СУ измеряется в обратных сведбергах : обр . св . = 10 13 с – 1 . ТСУ обусловлена статистическими законами диффузии и непосредственно связана с диффузионно– седиментазионным равновесием . Мерой ТСУ является гипсометрическая высота . Ее удобнее определять как высоту h е , на протяжении которой концентрация дисперсной фазы изменяется в e раз. Из формулы следует , что h е и ТСУ тем больше , чем меньше размер частиц и разность между плотностями . Вязкость не влияет на ТСУ , а увеличение Т способствует повышению устойчивости , т.к . увеличивается тепловое движение . КСУ с увеличением Т убывает , за счет снижения вязкости среды. Итак , седиментационная устойчивость дисперсных систем определяется , главным образом , ра змерами частиц дисперсной фазы : · лиофобные золи (10 – 7 – 10 – 5 см ) – седиментационно устойчивые системы , характерна диффузия , обеспечивающая равномерное распределение частиц по объему системы ; · микрогетерогенные системы (10 – 5 10 – 3 см ) – устанавливается седиментационно – диффузионное равновесие , для которого характерно гипсометрическое распределение частиц по объему системы ; · грубодисперсные (более 10 – 3 см ) - седимен тационно неустойчивые системы , происходит быстрая седиментация. Зависимость распределения частиц по высоте в равновесном состоянии аналогична барометрической формуле Ла-Пласса для газов в атмосфере : , где m – масса частицы ; h 1 , h 2 – высоты уровней замера ; с 1 , с 2 – концентрации на уровнях h 1 и h 2 соответственно ; я - плотность частицы ; я 0 - плотность среды. При коагуляции золя смесью двух и более электролитов возм ожны три случая (рис . 3.1.2.3). По оси абсцисс отложена концентрация первого электролита С 1 , а C к 1 – его порог коагуляции . Аналогично по оси ординат отложена концентрация второго электролита С 2 , а С к 2 – его порог коагуляции. 1. Аддитивное действие электрол итов (линия 1 рис . 3.1.2.3). Электролиты действуют как бы независимо один от другого , их суммарное действие складывается из воздействий каждого из электролитов . Если с 1 ґ - концентрация первого электролита , то для коагуляции золя концентрация второго электр олита должна быть равной с 2 ґ . Аддитивность наблюдается обычно при сходстве коагулирующей способности обоих электролитов. 2. Синергизм действия (линия 2 рис . 3.1.2.3). Электролиты как бы способствуют друг другу – для коагуляции их требуется меньше , чем нужн о по правилу аддитивности (с 2
© Рефератбанк, 2002 - 2017