Diszpergáló rendszerek
A környezetben, mint egy élő szervezetben, ritkán találhatók egyedi anyagok. Gyakrabban az élõ és nem élõ anyagokat alkotó anyagok sokfélesége megoldások formájában vagy diszpergált rendszerek formájában jelenik meg. A kolloid (diszpergált) rendszerek széles körben elterjedtek a természetben, és ősidők óta nagy szerepet játszanak az emberi életben. Az ilyen rendszerek első rendszeres vizsgálata azonban csak a XIX. Század közepére utal. Az elmúlt 150 évben a kolloidok tudománya a fizikai kémia független részlegévé alakult.
A diszpergáló rendszer egy heterogén rendszer, amelyben az egyik fázist egy kis homogén fázis térfogatában egyenletesen elosztott apró részecskék képviselik. Ezek ultramikroheterogén rendszerek, amelyek a zúzott részecskék diszpergált fázisú részecskéiből állnak, amelyek mérete a 10-9-10-5 m tartományban van, és a folyamatos diszperziós közeg, amelyben ezek a részecskék eloszlanak.
A diszperz fázis töredezettségének jellemzésére a hazai fizikokémist A.V. Dumansky (1880 - 1967) 1913-ban bemutatta a diszperzió mértékét δ. amelyet az átlagos átmérő reciprokával vagy nem gömb alakú részecskékkel mértek, az egyenlő átmérőjű d (m-1) egyenértékű átmérő értéke:
A diszperzáló rendszerek részecskéi szabad szemmel vagy eszközökkel láthatók. A szacharinok, a lisztrészecskék és az emberi haj észlelik a szemet. Levegő porrészecskék csak akkor válnak láthatóvá, amikor fénysugár behatol a sötét helyiségbe. A vér eritrocitái mikroszkóppal láthatók, a legkisebb részecskék elektronmikroszkóppal kimutathatók. Az (1) feltételnek megfelelően az eritrociták legnagyobb diszperziója és a legkisebb szacharin- és lisztrészecskék.
A részecskék mellett a diszpergált fázis lehet fonalak, szálak, pórusok és kapillárisok, valamint filmek és membránok. Mindegyiknek van egy vagy több dimenziója, amely meghatározza a diszperziót. Három, két és egydimenziós diszperz fázisok vannak.
Ha a diszperziót meghatározó méret minden részecskén azonos, akkor egy hasonló rendszert monodiszperz. például egyes növények pollenét. A polidiszpergáló rendszereket, amelyek különböző részecskeméreteket vagy diszperziót tartalmaznak, gyakrabban találkoznak.
A nagymértékben diszpergált rendszerek egyik jellemzője egy nagyon nagy felület a diszpergált fázis és a diszperziós közeg közötti határvonalon. Egy bizonyos felület jellemzi. amely alatt az Sd diszpergált fázis teljes felületének arányát értjük. a teljes térfogatra vagy tömegére:
A rendszer diszperzitásának növekedésével a fajlagos felülete erőteljesen nő, és a kolloid régióban hatalmas értékeket ér el.
A törékenység és a nagy fajlagos fázisú felület jelentős felesleges felszíni energiát eredményez. Ez viszont felületi jelenségek megjelenéséhez vezet. Felszíni jelenségek figyelhetők meg bármely olyan felületen, amely határolja a fázisokat, de a specifikus felület éles növekedése a felszíni energia feleslegének köszönhetően fokozódik.
A törékenység különböző alakú részecskék képződésével jár, amelynek felületét bizonyos görbület jellemzi. A felület görbülete egyes esetekben további tényező a folyamatok intenzívebbé tételében, amelyek a fázisok felületén fordulnak elő.
Így egy anyag kolloid állapotának két fő jellemzője van: diszperzió és heterogenitás. A jellemzője szuperfinom rendszerek instabilitásuk társított nagy tartalék, felületi szabad energiájának következtében, hogy a nagy fázis felület. A diszperz rendszerek azzal jellemezve, spontán folyamatok, amelyek csökkentik a felesleges felületi energia miatt durvul a diszpergált fázis. Biztosítja a viszonylagos stabilitását a rendszer biztosításával érjük el a felszínen a védőréteg a diszpergált fázis - a villamos kettős réteg, amely elektrosztatikus taszítás a részecskék, és az adszorpciós-szolvát rétegen, amely megakadályozza a kapcsolati és adhéziós részecskék. Stabilizáló rétegek ionok vagy molekulák adszorpciója következtében keletkeznek.
^ Diszpergáló rendszerek osztályozása.
A diszpergált rendszerek természetüknél fogva nagyon változatosak, ezért lehetetlen egyetlen osztályozást létrehozni számukra. Az osztályozás alapja a meglévő különböző tulajdonságait diszperz rendszerek diszpergált fázis szemcsemérete, aggregációs állapotot a diszpergált fázis és a diszperziós közeg, a kölcsönhatás természetének a diszpergált fázis a diszperziós közeg, a szerkezeti és mechanikai tulajdonságokkal, stb ...
^ A rendszerek osztályozása a diszpergált fázis szemcseméretével.
A részecskemérettől függően d megkülönbözteti a nagy, közepes és durva diszpergált rendszereket.
A nagyon diszpergált rendszerek méreteinek alsó határa (1 nm) annak a ténynek köszönhető, hogy legalább 20-30 molekula szükséges az aggregátum kialakításához. Egy molekula sugara, például víz, 0,138 nm. Ezért a legkisebb részecske, amelyből a diszpergált fázis képződik, nem lehet kisebb, mint 1 nm.
^ Osztályozás a fázisok összesített állapotával.
Az összesített állapot osztályozását Wolfgang Ostwald javasolta. Elvileg 9 kombináció lehetséges, de a diszpergálórendszer, amelyben mind a diszpergált fázis, mind a diszperziós közeg gáz, nem létezik, mivel a gázok korlátlanul oldhatók egymáshoz. A diszpergáló rendszerek minden lehetséges típusát a 2. táblázatban mutatjuk be.
^ Diszpergált fázis és diszperziós közeg kölcsönhatásának osztályozása (interfacial interakció révén).
Ez a besorolás kizárólag folyékony diszperziós közeggel rendelkező rendszerek esetén alkalmazható. G. Freindlich azt javasolta, hogy a diszperzáló rendszereket kétféleképpen osztják fel:
Mind lyiofób, mind liofii kolloid oldatokban a szerkezeti egységek micellák - a diszperziós fázis összetevői és a diszperziós közeg kölcsönhatása során keletkező mikrostruktúrák. Az interakció különbözősége a liofil és liofil kolloid oldatok eltérő szerkezetét eredményezi, valamint létezésük és stabilitásuk feltételeit.
A megfigyelt jelenségek jellege a diszpergált fázis részecskeméretétől és az incidens fény hullámhosszától (λ) való viszonyától függ. A fény áthaladását olyan átlátszó rendszerek esetében figyeljük meg, amelyekben a részecskék sokkal kisebbek, mint az incidens fény hullámhossza (rλ). Vizuálisan ez a jelenség az ilyen rendszerek zavarosságában nyilvánul meg.
A fényszórás figyelhető rendszerek, amelyekben a diszpergált fázis részecskéi kisebb, de hasonló a beeső hullámhossz (r ≈ 0,1 λ). Pontosan ez a kapcsolat elégedett a kolloid megoldásokkal. Az átmenő fény kolloid rendszerek átláthatóak, és egy oldalsó fény szórják a beeső fény őket, így egy csomó ember a kolloid rendszer tekintik fényes izzó kúp (Tyndall kúp - nevében a tudós, az első alkalommal részletesen vizsgálja ezt a jelenséget). A fényszóródás elméletét az angol Rayleigh fizikus hozta létre. Ez származik egy egyenlete a I intenzitását a szórt fény intenzitása a beeső fény I0, a beeső fény hullámhossza λ r és mérete a diszpergált fázis részecskéihez:
ahol V egy részecske térfogata, ν a részleges koncentráció (egységnyi térfogatú részecskék száma), λ a hullámhossz, n1, n0 pedig a részecskék és a közeg törésmutatója.
A Rayleigh-egyenlet az alábbi feltételek mellett teljesül:
Ha az aggregatív stabilitás megszakad, koaguláció lép fel - a részecskéknek a nagy aggregátumok képződésével való együttes folyamata. A koaguláció eredményeképpen a rendszer elveszti üledék stabilitását, mivel a részecskék túl nagyok, és nem vehetnek részt Brownian mozgásban.
A koaguláció spontán folyamat, mivel ez vezet a felület határfelületének csökkenéséhez, következésképpen a szabad felszíni energia csökkenéséhez.
A koaguláció két szakaszában van.
1. szakasz - látens koaguláció. Ebben a szakaszban a részecskék összeolvadnak, de nem veszítik el ülepedésállóságukat.
2. szakasz - nyilvánvaló koaguláció. Ebben a szakaszban a részecskék elveszítik az ülepedési stabilitást. Ha a részecskék sűrűsége nagyobb, mint a diszperziós közeg sűrűsége, csapadék keletkezik.
A koaguláció okai sokfélék. Minden olyan külső hatás, amely megfelelő intenzitással jár, koagulációt okoz. Ilyen hatások közé tartozik:
A legnagyobb gyakorlati érdeklődést az elektrolitokkal való koaguláció okozza.
A koagulációs elektrolit típusai.
Megállapítást nyert, hogy bármely elektrolit a szolok koagulációját okozza. Amikor a szol elektrolitokkal koagulálódik, megkülönböztetik a koncentrációt és a semlegesítő koagulációt.
A koncentrációs koaguláció az indifferens elektrolitok hatása alatt következik be. A közömböset elektrolitnak nevezik, amelynek bevezetésénél az interfázis potenciál φ nem változik. Ez az elektrolit nem tartalmaz olyan ionokat, amelyek a Panet-Fayans szabály szerint részecske-specifikus adszorpcióra képesek, azaz nem képes befejezni az egység kristályrácsát. Koncentrációs koaguláció figyelhető meg például akkor, ha nitrátokat adunk az Agi kolloid oldatához, amely pozitív kolloid részecskéket tartalmaz:
Mivel a koncentráció a hozzáadott elektrolit (ionok) koncentrációja ellenionok a diffúziós réteg megnő, ami zavar a korábban megállapított eloszlását a diffúziós ellenionok és fokozza elektrosztatikus vonzóerők a potenciális-és ellenionok, amelynek következtében egy része diffúz réteg ionok belép az adszorpciós. Amikor ez a diffúziós réteget tömörítve, csökken a felelős a kolloid részecskéket, és ennek következtében csökken ζ - potenciál.
Ábra. A ζ potenciál változása közömbös elektrolit hozzáadásával. A DES 1-1 határa megfelel a kezdeti kolloid oldatnak; A megfelelő mennyiségű elektrolit (a csúszófelület egybeesik az adszorpciós és diffúziós rétegek határával) a 2 - 2, 3 - 3 határértékeket kapjuk.
Az 1. ábrán. továbbá az egyszerűség kedvéért azt feltételezzük, hogy az AB csúszófelület egybeesik az adszorpciós és diffúz rétegek határával. Az indifferens elektrolit koncentrációjának megfelelő növelésével előfordulhat olyan állapot, amelynél a diffúz réteg eltűnik, és a kolloid részecske elektromosan semleges, azaz a kolloid részecskék elektromosan semlegesek. izoelektromos állapot fordul elő - a kolloid részecske állapota, amelyben az elektrokinetikus potenciál (ζ) nulla, koaguláció lép fel. A micella-formula ebben az állapotban:
A neutralizációs koaguláció akkor következik be, amikor a nemhez közömbös elektrolit kerül hozzáadásra. Az elektrolit képes megváltoztatni a fázistól a fázisig (φ) és lineárisan kapcsolt elektrokinetikus (ζ) potenciálokat, vagyis az elektrolitot, amely nem indirekt. ez az elektrolit ionokat tartalmaz, amelyek specifikusan adszorbeálódhatnak az aggregátum felületén, kiegészítik a kristályrácsát vagy kémiai kölcsönhatásba lépnek a potenciálisan meghatározó ionokkal. A semlegesítési mechanizmus csak akkor valósul meg, ha a részecskeköltség alacsony. Ebben az esetben az ellenion-rétegek kicsiek és a koaguláló ionok közvetlen adszorpciója lehetséges a részecskék felületén, azaz semlegesítik a potenciálisan meghatározó ionokat, csökkentve a termodinamikai potenciált és ennek megfelelően a ξ-potenciált.
Semlegesítési koagulációt figyeljünk meg, például K2S hozzáadásával kolloidális Agi oldathoz pozitívan töltött kolloid részecskékkel. A koaguláló anionok és a potenciálisan meghatározó Ag + ionok között reakció keletkezik egy gyengén oldódó Ag2S vegyület képződésével, amely az AgI micelle elpusztításához vezet:
Ennek eredményeként a kötési potenciális meghatározó ionok és ellenionok számát szükséges töltés kompenzáció a mag felülete csökken, ami a határfelületi feszültségesés és ennélfogva a zéta - potenciális nullára (ábra.).
Ábra. A φ és ζ potenciálok változása egy nem indifferens elektrolit hozzáadásával.
ζ0). Ezután, elérése esetén maximális adszorpciós potenciális meghatározó ionok diffúz réteg kompressziós fog bekövetkezni, csökkenéséhez vezet a zéta - potenciál (például abban az esetben, az intézkedés a hordozó elektrolit), és miután elérte a kritikus értéket a véralvadási a kolloid rendszer.
A koaguláció bizonyos esetekben visszafordítható. A reverzibilis folyamat, amelyben a koaguláció ismét bejut a kolloid állapot vagy peptizálása úgynevezett bontási. Annál valószínűbb, hogy a véralvadás óta kevesebb idő telt el. Laundering okozhat koagulációs koagulum a felesleges vizet elektrolit, vagy elektrolit hozzáadását tartalmazó potenciális meghatározó ionok, mivel a adszorpciója, amely növeli a felületi töltés a részecskék. Mindkét esetben, a felbontási annak köszönhető, hogy megnöveli a részecskék taszítás energia növekedése miatt a vastagsága a diffúziós réteg vagy határfelületi potenciál.
A koaguláció képessége az összes tipikus kolloid rendszer legvonzóbb jellemzője, és nagy gyakorlati jelentősége van a biológia, a geológia, a mezőgazdaság, a technológia területén.
Minden szilárd elektrolit elegendő mennyiségben hozzáadódik a szájhoz, és ez koagulálja.
Az elektrolit minimális koncentrációját, amely a szol rövid ideig történő koagulálását okozza, koagulációs küszöbnek nevezzük.
A koagulációs küszöbérték kiszámítható az elektrolit-koagulátor C koncentrációjának, az előállított V elektrolit térfogatának és a Vole-szol (általában 10 ml) térfogatának ismeretében:
A koagulációs küszöb () inverzjét az elektrolit koaguláló képességének nevezik. Ezért minél kisebb a koagulációs küszöb, annál nagyobb az elektrolit koaguláló kapacitása.
Koaguláló hatást még nem minden elektrolit, de csak az ion töltése van ugyanolyan előjelű, mint a felelős ellenionok micellák vagy liofil sol (koaguláló ion töltésével ellentétes töltést a kolloid részecskék). Ezt az iont ionkoagulánsnak nevezik.
A koaguláló ion koaguláló kapacitása nagyobb, annál nagyobb az ion töltése. Mennyiségileg ez a minta által leírt empirikus szabály Schulze - Hardy, mint elméletileg indokolt kapcsolat a töltés és a véralvadási ion véralvadási küszöbértéket ad Deryagina elmélet - Landau:
A 17. egyenletnek megfelelően az egy-, két- és háromértékű ionokra vonatkozó koagulációs küszöbök aránya megegyezik (az értékszabály):
Következésképpen a hármas töltésű ion koaguláló képessége 729-szer nagyobb, mint az egyedileg töltött ion koaguláló képessége.
Jelenleg eltérnek a Schulze-Hardy-Deryagin-Landau-szabálytól való eltéréseknek (értékrend). Ezen kívül véralvadási küszöb töltés hatására méretét véralvadási ion adszorpciós kapacitás és hidratálás, valamint a természet az ion egyidejű véralvadási.
Többszörösen töltött ionok esetén hatás is lehetséges, például a részecskék töltéscseréje, pl. A töltés jeleinek és a kolloid részecskék potenciáljának megváltoztatása. A hozzáadott ionok cserélhetők ellenionokkal, mind a diffúz, mind az adszorpciós rétegekben. Ebben az esetben, ha a többszörösen töltött ion elég kicsi (pl. Al3 +, Th4 + stb.), A részecskék felületén (az adszorpciós rétegben) a korábbi ionok töltésével egyenértékű töltetet (túlegyenlítő adszorpció) helyettesíti. Például egy vagy két K + ion helyett a Th4 + ion kiderülhet. Ezért az ilyen ionok kellően magas koncentrációjában az általuk létrehozott töltés abszolút értékben nagyobb lehet, mint a potenciálisan meghatározó ionok töltése. Ez azt jelenti, hogy a töltés és a potenciál jele változott. Most az ilyen ionok potenciálisan meghatározóak (a korábbiak helyett) és más ellenionok a részecske körül helyezkednek el.
Az elektrolitok adalék hatása (1. sor, ábra). Az elektrolitok egymástól függetlenül hatnak, teljes hatásuk az egyes elektrolitok hatásait tartalmazza. Ha - az első elektrolit koncentrációja, majd a sol koagulációjához a második elektrolit koncentrációjának meg kell egyeznie. Az additivitást általában megfigyeljük, ha mindkét elektrolit koagulációs képessége hasonló.
Ábra. Két elektrolit koaguláló hatása.
A cselekvés szinergiája (2. sor). Úgy tűnik, hogy az elektrolitok egymáshoz járulnak hozzá - az additivitási szabály szerint a szükségesnél kevesebb véralvadást igényelnek (
^ A cselekvés ellentétessége (3. sor). Úgy tűnik, hogy az elektrolitok ellentétesek egymással, és a véralvadáshoz többet kell hozzáadni az additivitási szabálytól. Az antagonizmus jelenségének egyik oka az ionok kölcsönhatása.
A kolloid védelmet úgy hívják, hogy növeli a szolga aggregációs stabilitását egy IUD (nagy molekulájú vegyület) vagy felületaktív anyag (felületaktív anyag) bejuttatásával. Ezeknek az anyagoknak a védőhatása egy bizonyos adszorpciós réteg kialakulásához kapcsolódik a kolloid részecskék felületén. A molekulák aszimmetrikus szerkezetével rendelkező felületaktív anyagok függőlegesen helyezkednek el a felületi rétegben. A horizontális eloszlású poláris csoportok IUD-je vízszintesen felszívódik a felületre, és rácsot képez a kolloid részecskék körül. Az így létrejövő védőréteg meggátolja a diszpergált fázis részecskék összepréselését.