2015-06-05
696
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ Университет»
Е.В. Михеева, Н.П. Пикула, А.П. Асташкина
КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета
Издательство
Томского политехнического университета
| УДК 541.1 (075.8) ББК 24.5я73 М 695 | |
| М695 | Михеева Е.В. Коллоидная химия: учебное пособие / Е.В.Михеева, Н.П. Пикула, А.П. Асташкина; Томский политехнический университет. – 2-е изд., перераб. и доп. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 184 с. В авторской редакции |
В пособии в краткой форме изложены основные вопросы дисциплины «Коллоидная химия»: поверхностные и капиллярные явления, термодинамика поверхностей раздела фаз, адсорбция, электрические, оптические, структурно-механические и молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Материал в пособии представлен в 9 главах по основным разделам дисциплины, в каждой главе приведены решения типовых задач и вопросы для контроля и самоконтроля.
|
|
|
Пособие подготовлено на кафедре физической и аналитической химии и предназначено для студентов ИДО, обучающихся по направлениям 240100 «Химическая технология» и 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».
УДК 541.1 (075.8)
ББК 24.5я73
Рецензенты
Кандидат химических наук, доцент ТГУ
Н.Н. Судакова
Кандидат технических наук,
доцент кафедры органической химии ТГПУ
А.С. Ситников
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013
© Михеева Е.В., Пикула Н.П.,
Асташкина А.П., 2013
© Обложка. Издательство Томского
политехнического университета, 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.. 7
Глава 1. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ... 8
1.1. Общая характеристика дисперсных систем.. 8
1.1.1. Признаки объектов коллоидной химии. 9
1.1.2. Специфические особенности высокодисперсных систем.. 11
1.2. Классификации дисперсных систем.. 12
1.2.1. Классификация по размерам частиц дисперсной фазы.. 12
1.2.2. Классификация по агрегатному состоянию дисперсной фазы
и дисперсионной среды.. 13
1.2.3. Классификация по силе межфазного взаимодействия
дисперсной фазы и дисперсионной среды.. 13
1.2.4. Классификация по подвижности частиц ДФ (по структуре) 14
1.2.5. Классификация по фазовой различимости. 14
1.2.6. Классификация по топографическому признаку
(по форме частиц) 15
1.3. Методы получения дисперсных систем.. 15
1.3.1. Диспергационные методы.. 15
1.3.2. Конденсационные методы.. 17
1.3.3. Метод пептизации. 20
1.4. Методы очистки дисперсных систем.. 20
Вопросы и задания для самоконтроля. 21
Глава 2. ТЕРМОДИНАМИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ.. 22
2.1. Классификация поверхностных явлений. 22
|
|
|
2.2. Свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение. 23
2.2.1. Физический смысл поверхностного натяжения. 23
2.2.2. Термодинамическое определение поверхностного натяжения. 25
2.2.3. Единицы измерения поверхностного натяжения. 26
2.3. Влияние различных факторов на величину
поверхностного натяжения. 26
2.3.1. Влияние химической природы вещества. 26
2.3.2. Влияние температуры.. 27
2.3.3. Влияние природы граничащих фаз. 28
2.3.4. Влияние природы и концентрации растворенного вещества. 29
2.4. Межмолекулярные и межфазные взаимодействия. 30
2.4.1. Когезия. 30
2.4.2. Адгезия. 30
2.4.3. Растекание одной жидкости по поверхности другой. 31
2.4.4. Смачивание. 32
2.5. Особенности искривленной поверхности раздела фаз. 37
2.5.1. Уравнение Лапласа. 37
2.5.2. Капиллярное давление. Течение жидкости в капиллярах. 40
2.6. Методы определения поверхностного натяжения. 42
2.6.1. Метод наибольшего давления пузырька газа
(метод Ребиндера) 43
2.6.2. Сталагмометрический метод (метод счета капель) 44
2.6.3. Метод капиллярного поднятия жидкости. 45
2.7. Влияние кривизны поверхности на давление
насыщенного пара. 46
2.7.1. Уравнения Томсона (Кельвина) 47
2.7.2. Капиллярная конденсация. 49
2.7.3. Изотермическая перегонка. 49
Вопросы и задания для самоконтроля. 50
Глава 3. АДСОРБЦИЯ.. 51
3.1. Основные понятия и определения. 51
3.1.1. Количественные способы выражения величины адсорбции. 52
3.1.2. Классификации адсорбции. 52
3.1.3. Основные экспериментальные зависимости адсорбции. 54
3.2. Адсорбция на границе твердое тело – газ. 55
3.2.1. Теория мономолекулярной адсорбции Лэнгмюра. 55
3.2.2. Эмпирическое уравнение адсорбции Фрейндлиха. 62
3.2.3. Теория полимолекулярной адсорбции Поляни. 63
3.2.4. Дальнейшие представления о многослойной адсорбции.
Теория БЭТ. 70
3.2.5. Адсорбция на пористых адсорбентах. 76
3.2.6. Адсорбенты и их характеристики. 77
3.3. Адсорбция на границе жидкость – газ. 78
3.3.1. Фундаментальное уравнение адсорбции Гиббса. 79
3.3.2. Свойства поверхностно-активных (ПАВ)
и поверхностно-инактивных (ПИВ) веществ. 79
3.3.3. Строение адсорбционного слоя на границе раствор – газ. 81
3.3.4. Уравнение Шишковского. 82
3.3.5. Поверхностная активность. Правило Дюкло – Траубе. 83
3.3.6. Расчет гиббсовской адсорбции из изотермы
поверхностного натяжения методом графического
дифференцирования. 85
3.3.7. Применение уравнения изотермы Лэнгмюра к адсорбции
на границе жидкость–газ. Расчет молекулярных
характеристик исследуемого ПАВ.. 86
3.3.8. Мицеллообразование в растворах коллоидных ПАВ.. 91
3.3.8. Классификации ПАВ.. 93
3.3.9. Солюбилизация. 95
3.3.10. Практическое значение ПАВ.. 96
3.3.11. Проблемы биоразлагаемости промышленных ПАВ.. 97
3.4. Адсорбция на границе твердое тело – раствор. 98
3.4.1. Молекулярная адсорбция. 98
3.4.2. Ионная адсорбция. 100
3.4.3. Ионообменная адсорбция. Ионный обмен. 101
Вопросы и задания для самоконтроля. 104
Глава 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ... 106
4.1. Электрокинетические явления. 106
4.1.1.Механизм образования двойного электрического слоя. 107
4.2. Теории строения двойного электрического слоя. 110
4.2.1. Экспериментальные факты, послужившие основой
для создания теорий строения ДЭС.. 110
4.2.2. Теория строения ДЭС Гельмгольца – Перрена. 111
4.2.3. Теория строения ДЭС Гуи – Чэпмена. 111
4.2.4. Современная теория строения ДЭС Штерна. 112
4.3. Электрокинетический потенциал. 113
4.3.1. Определение электрокинетического потенциала
из электрокинетических явлений. 114
4.3.2. Практическое значение электрокинетических явлений. 116
4.4. Строение коллоидных мицелл. 117
4.4.1. Примеры мицелл гидрофобных золей в природе. 119
Вопросы и задания для самоконтроля 121
Глава 5. УСТОЙЧИВОСТЬ И КОАГУЛЯЦИЯ
ЛИОФОБНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ... 122
5.1. Основные понятия и определения. 122
5.1.1. Факторы агрегативной устойчивости лиофобных систем.. 123
|
|
|
5.2. Коагуляция. 124
5.2.1. Кинетика коагуляции. Теория кинетики
быстрой коагуляции Смолуховского. 125
5.2.2. Коагуляция золей электролитами. 131
5.3. Теория устойчивости лиофобных дисперсных систем ДЛФО.. 133
5.3.1. Расклинивающее давление. 134
5.3.2. Энергия электростатического отталкивания. 136
5.3.3. Энергия молекулярного притяжения. 137
5.3.4. Потенциальные кривые взаимодействия частиц. 138
5.4. Закономерности коагуляции гидрофобных золей
электролитами. 141
5.4.1. Особые явления при коагуляции. 142
5.4.2. Примеры коагуляции. Образование почв. 144
5.4.3. Физико-химические методы очистки сточных вод. 145
Вопросы и задания для самоконтроля. 148
Глава 6. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ... 149
6.1. Типы структур. 149
6.2. Реологические свойства дисперсных систем.. 151
6.2.1. Вязкость жидких дисперсных систем.. 151
Вопросы и задания для самоконтроля. 154
Глава 7. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ... 155
7.1. Рассеяние света в дисперсных системах. 155
7.2. Поглощение света в дисперсных системах. 159
7.3. Окраска дисперсных систем.. 160
Вопросы и задания для самоконтроля. 160
Глава 8. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ... 161
8.1. Осмос. 161
8.2. Диффузия. 162
8.3. Броуновское движение. 164
8.4. Седиментационное равновесие. 165
8.5. Седиментационный анализ. 148
Вопросы и задания для самоконтроля. 166
Глава 9. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ... 169
9.1. Системы с жидкой дисперсионной средой. 169
9.1.1. Суспензии и золи. 169
9.1.2. Эмульсии. 171
9.1.3. Пены.. 174
9.2. Системы с газообразной дисперсионной средой. 176
9.2.1. Аэрозоли. 176
9.3. Системы с твердой дисперсионной средой. 181
Вопросы и задания для самоконтроля. 182
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 183
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее пособие предназначено для студентов Института дистанционного образования всех специальностей и направлений, изучающих дисциплину «Коллоидная химия». Курс «Коллоидная химия» является общепрофессиональной дисциплиной, имеющей большое значение для создания базовой основы изучения специальных химических и экологических дисциплин.
|
|
|
Коллоидная химия – самостоятельная область физико-химической науки, изучающая процессы образования и разрушения дисперсных систем, а также их характерные свойства, связанные с поверхностными явлениями на границах раздела фаз в этих системах.
Дисперсными системами называются гетерогенные системы с сильно развитой внутренней поверхностью раздела между фазами. Они состоят из двух или нескольких фаз, одна из которых (дисперсная фаза) обладает высокой дисперсностью (раздробленностью) и распределена в виде множества мельчайших частиц в окружающей непрерывной дисперсионной среде.
Примерами разнообразных дисперсных систем могут служить все горные породы, грунты и почвы, туманы и облака, выпадающие из них атмосферные осадки, космическая пыль, металлы и сплавы, природные воды и нефть, бетоны и резины и т.д. Коллоидная химия изучает условия образования, устойчивости и коагуляции коллоидных систем, поверхностные и электрические явления, образование и свойства стабилизирующих межфазных слоев и пленок, структурированных дисперсных систем и т.д.
Настоящее пособие составлено на основе лекций преподавателей кафедры физической и аналитической химии Национального исследовательского Томского политехнического университета. В пособии кратко изложен теоретический материал, примеры решения некоторых типовых задач и вопросы для контроля и самоконтроля. Пособие состоит из 9 глав по всем основным разделам дисциплины «Коллоидная химия».
Авторы надеются, что материал, изложенный в пособии, будет служить основой для самостоятельной работы студентов химических и экологических специальностей и направлений. Пособие будет полезно студентам других специальностей, магистрантам и аспирантам.
Авторы будут признательны за критические замечания и пожелания, направленные на улучшение пособия.
Глава 1
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
