Визначити оптичну густину D золю

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Тема: Одержання колоїдних розчинів.

Мета: Ознайомитись з методами одержання дисперсних систем, зокрема, колоїдних розчинів або золів.

Устаткування і реактиви: технічні ваги, мірний пальчик, штатив із пробірками, ацетатне волокно, піпетки градуйовані 1-2мл, розчини гексацианоферат (II) калію K₄[Fe(CN)₆] концентрації: 0,005н., 0,1н., насичений; розчини хлорид феруму (III) FeCl₃ концентрації: 0,005н., 0,1н., насичений; щавлева кислота 0,05М; ацетон; 1,7% розчин нітрат арґентуму; 0,1% розчин таніну; 1% розчин карбонат калію; 1,5% розчин перманганат калію; концентрований розчин амоніаку; насичений розчин сірки в етиловому спирті; насичений розчин парафіну в етиловому спирті.

.

Теоретичні відомості

Дисперсні системи є гетерогенними системами, тобто складаються з декількох фаз, найчастіше з двох. Одна з фаз знаходиться в сильноподрібненому (диспергованому) стані у вигляді дрібних твердих частинок, крапельок рідини, пухирців газу і називається дисперсною фазою. Друга складова частина дисперсної системи – середовище, у якому розподілені частки диспергованої речовини, називається дисперсійним середовищем.

Дисперсні системи класифікують за різними ознаками.

1. Три агрегатних стани (твердий, рідкий, газоподібний) дозволяють виділити дев'ять типів дисперсних систем. Їх позначають дробом, чисельник якого вказує на агрегатний стан дисперсної фази, а знаменник – дисперсійного середовища (табл.1.1).

2. Всі дисперсні системи за кінетичними властивостями дисперсної фази можна поділити на два класи: вільнодисперсні системи, в яких дисперсна фаза рухлива, і зв’язанодисперсні системи – найчастіше, системи з твердим дисперсійним середовищем, в яких частинки дисперсної фази не можуть вільно пересуватися.

3. Дисперсні системи також класифікуються за ступенем дисперсності дисперсної фази.

Вільнодисперсні системи поділяються на ультрамікрогетерогенні (з розміром частинок від 1 до 100нм), мікрогетерогенні (від 0,1 до 10мкм) і грубо дисперсні (розмір частинок яких більше 10^-3см).

Таблиця 1.1

Класифікація дисперсних систем за агрегатним станом

Дисперсні системи, в яких дисперсійним середовищем є рідина, а дисперсна фаза має колоїдну ступінь дисперсності (10^-5 – 10^-7см) називаються золями, тобто золі це колоїдні розчини або рідкі колоїдні системи.

Зв’язанодисперсні системи, або пористі тіла, класифікують на мікропористі – з розмірами ячейки до 2нм, перехіднопористі – від 2 до 200нм і макропористі – вище 200нм.

Тверді колоїдні розчини одержують як правило зі зв’язанодисперсних систем у розплавах у процесі їхнього охолодження й отвердіння (одержання скла, сталі, чавуна і т.п.).

З твердих розчинів можуть бути одержані капілярно-пористі тіла, шляхом видалення з них окремих компонентів (шляхом розчинення, термічного розкладу і т.п.).

Колоїдні розчини можуть бути одержані двома шляхами:

- подрібненням великих частинок до необхідної дисперсності (диспергаційні методи);

- об'єднанням молекул чи іонів в агрегати колоїдних розмірів (конденсаційні методи).

Крім того, окремо виділяють метод пептизації, що полягає в переведенні в колоїдний розчин осадів, первинні частинки в яких вже мають колоїдні розміри.

У деяких випадках колоїдні системи можуть утворюватися шляхом самовільного диспергування дисперсної фази в дисперсійному середовищі.

Основними умовами одержання колоїдних систем, незалежно від способу, є:

1) нерозчинність або мала розчинність частинок дисперсної фази в дисперсійному середовищі;

2) необхідна ступінь дисперсності частинок дисперсної фази;

3) наявність у системі, в якій утворюються частинки, речовин, здатних стабілізувати ці частинки, а у випадку застосування конденсаційних методів – уповільнювати їх зростання.

Одержання колоїдних систем диспергаційними методамиздійснюється в різного роду дробарках, млинах різної конструкції (кульові, колоїдні), за допомогою ультразвуку, у вольтовій дузі (електрогідравлічний удар).

Подрібнення до частинок малих розмірів вимагає великої витрати роботи, тому що поверхня розподілу між фазами в таких системах дуже велика. Частинки, що утворюються при подрібненні, мають схильність до самодовільного злипання (коагуляції), тому подрібнення проводять у дисперсійному середовищі в присутності стабілізаторів – поверхнево-активних речовин.

Процес диспергування має велике практичне значення в ряді виробництв і технологічних процесів: при одержанні високодисперсних порошків, наповнювачів для полімерів, пігментів для фарб, при виготовленні борошна й інших харчових продуктів і т.п.

Диспергаційними методами не вдається досягти високої дисперсності. Системи з розмірами частинок 10^-8 – 10^-9м одержують конденсаційними методами,щоне вимагають витрат зовнішньої роботи. Шляхом конденсації, в залежності від умов, можуть бути отримані системи будь-якої дисперсності.

Розрізняють методи фізичної і хімічної конденсації.

Найважливіші фізичні методи одержання дисперсних систем – конденсація з пари і метод заміни розчинника (погіршення якості розчинника).

Найбільш простий приклад конденсації з пари – утворення туману. При зміні параметрів системи, зокрема, при зниженні температури, тиск пари може стати вище рівноважного тиску пари над рідиною (чи над твердим тілом) і в газовому середовищі виникає нова рідка фаза. В результаті система стає гетерогенною – починає утворюватися туман.

Широко застосовується метод заміни розчинника. На відміну від методу конденсації з пари, у даному випадку змінюють не параметри системи, а склад середовища. Наприклад, розчин якої-небудь речовини поступово, при перемішуванні, додають до рідини, у якій ця речовина не розчинна. При цьому відбувається конденсація молекул і утворення колоїдних частинок.

Хімічні методи також засновані на конденсаційному виділенні нової фази з пересиченого розчину, однак, на відміну від фізичних методів, речовина, що утворює дисперсну фазу, утворюється в результаті хімічної реакції: обміну, відновлення, окислення, гідролізу.

Розміри частинок, що утворюються при хімічній конденсації, залежать від умов проведення процесу конденсації, а саме - від співвідношення між швидкостями двох процесів, що відбуваються одночасно: утворення зародків кристалів і росту їх. Для одержання дрібних частинок необхідна значна перевага швидкості першого процесу над швидкістю другого. Такі умови створюються або в дуже розведених розчинах (при цьому утворюються частинки розміром до 1нм), або в досить концентрованих розчинах, коли утворюється відразу багато зародків кристалізації, що не встигають вирости до великих розмірів (при цьому утворюється мілкокристалічний осад).

Осад за певних умов можна перевести в колоїдний розчин. При цьому відбувається фізико-хімічне подрібнення осаду, що називається пептизацією. У рихлих осадах є окремі частинки дисперсної фази, що розділені прошарками дисперсійного середовища. Їхньому безпосередньому зіткненню перешкоджають або подвійні електричні шари, або сольватні оболонки на поверхні частинок. Вони забезпечують відштовхування частинок на близьких відстанях, у той час як на більш далеких переважають сили міжмолекулярного тяжіння, що не дозволяють частинкам розійтися за рахунок теплового руху.

ЗАВДАННЯ

1. У пробірку внести 0,1г ацетилцелюлози і додати 2-3мл ацетону. Пробірку енергійно струшувати до повного розчинення волокна. До розчину, що одержали, краплями додавати дистильовану воду. Спостереження і висновки записати в журнал. Визначити метод одержання дисперсної системи.

2. До 20мл дистильованої води додавати по краплям при струшуванні 5%-вий спиртовий розчин каніфолі. Спостереження і висновки записати в журнал. Визначити метод одержання дисперсної системи.

3. Одержати золь берлінської лазурі. На прикладі реакції гексацианоферат (II) калію K₄[Fe(CN)₆] і хлорид феруму (III) FeCl₃, оцінити вплив концентрації реагуючих речовин при одержанні золів методом хімічної конденсації. В результаті реакції утворюється берлінська лазур Fe₄[Fe(CN)₆]₃:

а) у пробірку налити 1мл 0,005н розчину FeCl₃ і додати до нього 1мл 0,005н розчину K₄[Fe(CN)₆];

б) у пробірку налити 1мл 0,1н розчину FeCl₃ і 1мл 0,1н розчину K₄[Fe(CN)₆];

в) у пробірку налити 2мл насиченого розчину FeCl₃ і 1мл насиченого розчину K₄[Fe(CN)₆].

Спостереження і висновки записати в журнал.

4. Осад берлінської лазурі, що випав, (з досліду 3в) відокремлюють від розчину, ретельно промивають водою і додають 0,05М розчин щавлевої кислоти. Спостереження і висновки записати в журнал. Визначити метод одержання дисперсної системи.

5. Одержати золь металевого срібла.1мл 1,7% розчину AgNO₃ розвести водою до 50мл, внести 0,5мл 0,1% розчину таніну, а потім додати 2-3 краплі 1%-ного K₂CO₃:

2AgNO₃ + K₂CO₃ Ag₂O + 2KNO₃ + CO₂

3Ag₂O + C₇₆H₅₂O₄₆ 6Ag + C₇₆H₅₂O₄₉

(танін)

Визначити метод одержання дисперсної системи.

6. Одержати золь діоксиду марганцю.

2,5мл 1,5% розчину KMnO₄ розвести водою до 50мл та нагріти до кипіння і протягом 5-7 хвилин внести невеликими порціями 2,5мл концентрованого розчину амоніаку:

2KMnO₄ + 2NH₃·H₂O 2MnO₂ + 2KOH

Визначити метод одержання золю.

7. Одержати золь гідроксиду феруму (ІІІ).

До 50мл киплячої води додати 2-3 краплі насиченого розчину FeCl₃:

FeCl₃ + 3H₂O Fe(OH)₃ + 3HCl

Визначити метод одержання золю.

8. Одержати золь сірки І.

До 50мл води при збовтуванні додати 4-5мл насиченого розчину сірки в етиловому спирті.

Відмітити спостереження і визначити метод одержання золю.

9. Одержати золь сірки ІІ.

До 50мл води додати при збовтуванні 1мл насиченого розчину сірки в ацетоні.

Записати спостереження і визначити метод одержання золю.

10. Одержати золь парафіну.

До 50мл води додати при збовтуванні краплинами 1мл насиченого розчину парафіну в етиловому спирті.

Записати спостереження і визначити метод одержання дисперсної системи.

Питання для самопідготовки.

1. Які системи називають дисперсними?

2. Які системи називають золями?

3. З яких складових частин складаються дисперсні системи?

4. За якими ознаками класифікують дисперсні системи?

5. Якими методами отримують дисперсні системи?

6. Що таке пептизація?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

Тема: Одержання емульсій і пін та оцінка їх властивостей.

Мета: Опанування методами одержання емульсій, визначення типу емульсії і вивчення стійкості в залежності від класу емульгатора; опанування навичками одержання пін, оцінки їх стійкості, визначення ефективності піноутворювача.

Устаткування і реактиви: установка для одержання емульсій, порцеляновий стакан 150мл, мірні циліндри на 100мл, склянка 100мл, штатив із пробірками, предметне скло, фільтрувальний папір, піпетки для індикатора, градуйовані пробірки на 10мл, на 15мл; розчини поверхнево-активних речовин (ПАР) 10г/л (ОП-7, Барватекс-5, Дерматекс-5, ОП-10, преколор-супер, labs), масло вазелінове чи індустріальне, барвник водорозчинний метиленовий голубий (синій), барвник жиророзчиний Судан I (II, III), розчин електроліту MgCl₂ 0,5М, секундомір.

Теоретичні відомості

Емульсії - це дисперсні системи, що утворені двома взаємно нерозчинними рідинами (Р/Р). У зв'язку з цим дисперсна фаза і дисперсійне середовище повинні відрізнятися за полярністю. Прийнято полярну рідину умовно називати «водою», а неполярну – «маслом».

Відповідно до цього, емульсії поділяють на два типи:

- емульсії «масло у воді» називають прямими і позначають (М/В);

- емульсії «вода в маслі» називають зворотними і позначають (В/М).

Тип емульсії визначається властивостями дисперсійного середовища.

Таблиця 2.1

Властивості емульсій

Емульсію одного типу можна перетворити в емульсію іншого типу. Таке явище називається оберненням фаз. Тип емульсії можна змінити:

- додаванням до відповідної емульсії надлишку речовини, що є для емульсії іншого типу майбутнім дисперсійним середовищем;

- зміною хімічної природи емульгатору.

Емульсії, як і всі колоїдні і мікрогетерогенні системи, агрегативно нестійкі через надлишок вільної енергії на міжфазній поверхні. Агрегативна нестійкість емульсій виявляється в самовільному утворенні агрегатів з наступним злиттям – коалесценцією – окремих крапельок одна з одною. Це може призводити до повного руйнування емульсії і поділу її на два шари рідин.

Агрегативна стійкість емульсії може обумовлюватися багатьма факторами стійкості, що засновані на зниженні міжфазного натягу. Одним з таких факторів є введення в систему Р/Р третього компонента – емульгатора. В якості емульгаторів використовують низькомолекулярні (колоїдні) поверхнево-активні речовини (ПАР) і високомолекулярні поверхнево-активні речовини (ВМ ПАР).

Властивості емульсій суттєво залежать від концентрації дисперсної фази. Розрізняють розведені, концентровані і висококонцентровані емульсії.

Розведені емульсії мають концентрацію 0,1-0,2 об. % дисперсної фази. Розведені емульсії за розміром частинок різко відрізняються від концентрованих і висококонцентрованих емульсій – вони є найбільш високодисперсними (розмір крапель може бути меншим за 100нм). Агрегативна стійкість розведених систем обумовлена незначною частотою зіткнення частинок, внаслідок їх малої концентрації, і має кінетичний характер.

Концентровані емульсії мають концентрацію дисперсної фази не більш 74 об. %. Це максимальна концентрація для монодисперсної емульсії, що відповідає максимально можливому об'ємному вмісту недеформованих сферичних крапель. Для полідисперсних емульсій ця межа є умовною. Розмір частинок концентрованої емульсії 0,1-1мкм і більше. Агрегативна стійкість концентрованих емульсій може бути обумовлена різними причинами в залежності від класу ПАР.

Висококонцентровані емульсії мають концентрацію дисперсної фази більше 74об.%. У таких емульсіях частинки деформуються і набувають форми багатогранників. Дисперсійне середовище являє собою тонкий прошарок, що розділяє часточки дисперсної фази, зберігаючи при цьому безперервність. Об'ємна частка рідини, що диспергується, може досягати 90-95%. Такі емульсії мають вид твердого тіла.

Емульсії одержують механічним диспергируванням дисперсної фази в дисперсійному середовищі в присутності відповідного емульгатора. Для диспергирування, рідини, що емульгуються, сильно перемішують, чи струшують або піддають вібраційному впливу. Для цього використовують спеціальні емульсатори, мішалки, колоїдні млини, гомогенізатори, ультразвукові, кавітаційні пристрої.

Емульсії поширені як у природі, так і в різних галузях промисловості. Природними емульсіями є молоко, яєчний жовток, соки рослин, сира нафта.

У харчовій промисловості одержують безліч молочних продуктів, що є емульсіями – вершки, кисляк, кефір, а також майонез, соуси і т.п.

У вигляді емульсій готують багато ліків.

У текстильній промисловості використовують емульсії в якості пом’якшувачів, замаслювачів, загусників і препаратів для спеціальних видів обробок.

У хімічній промисловості з емульсіями проводять різні синтези, емульсії застосовують для одержання пористих органічних сорбентів, мембран, плівок, покриттів, лакофарбових виробів.

Одержання пін і оцінка їх стійкості.

Піни, так само як і емульсії, знаходять широке практичне застосування. Вони використовуються у процесах флотації (пінна флотація), при одержанні пористих тепло- і звукоізоляційних матеріалів (пінобетон, пінопласт, піноскло), у харчовій промисловості (пастила, мус) і т.п.

Пінами є дисперсні системи, в яких дисперсна фаза – газ, розподілена у рідкому дисперсійному середовищі, причому середовище представлене у вигляді тонких прошарків рідини. Таким чином, піни можуть бути визначені як висококонцентровані емульсії газу в рідині, подібно звичайній висококонцентрованій емульсії, де дисперсійне середовище представлене тонкими прошарками, що знаходяться між краплями дисперсної фази. Тверді піни утворюються з рідин, які здатні при охолодженні переходити у твердий стан (пенза, пінопласт).

Чисті рідини не дають стійкої піни, лише додавання до них другого компонента – піноутворювача – може привести до її утворення.

Дистильована вода не дає стійкої піни. Додавання до неї поверхнево-активної речовини приводить до появи піни, причому з ростом концентрації поверхнево-активної речовини інтенсивність піноутворення збільшується, проходить через максимум і знову знижується для концентрованих розчинів.

Молекули піноутворювача адсорбуються на границі розподілу таким чином, що їхня гідрофобна частина спрямована у бік газової фази, а гідрофільна – у воду. Гідрофільна частина молекули гідратується водою, утворюючи гідратні шари визначеної товщини, що захищають пухирці газу від коалесценції.

Піна може бути одержана шляхом струшування розчину піноутворювача в циліндрі чи пропусканням газу через пористий фільтр, що знаходиться в розчині піноутворювача. Третій спосіб одержання пін з розчинів, що дають високостійкі піни, полягає в тому, що струмінь розчину з визначеної висоти падає на поверхню того ж розчину, що знаходиться у вузькому циліндрі.

Піна утворюється в тому випадку, коли швидкість утворення і підходу пухирців газу до поверхні рідини виявляється більшою за швидкість їхнього руйнування. Чим більше швидкість утворення і чим менше швидкість руйнування пухирців, тим більш рясна піна може бути отримана. Іноді піноутворення небажане, тоді піну гасять. Це досягається додаванням ПАР, молекули якої виштовхують з поверхневого адсорбційного шару молекули первинного стабілізатора або розчиняють його. Це призводить до зниження стійкості піни і полегшує процес довільного руйнування.

Піни є термодинамічно нестійкими системами внаслідок високої питомої поверхні і, отже, великої величини вільної поверхневої енергії системи.

Для характеристики стійкості піни зазвичай приймають час існування піни з моменту її утворення до повного руйнування, або час, за який висота стовпа піни зменшується в 2 рази.

Стійкість піни також може бути оцінена за часом існування окремого пухирця, утвореного на поверхні рідини, чи за часом життя елементарної плівки, що утворена даною рідиною в дротовому кільці.

ЗАВДАННЯ

1. Одержання емульсії «масло у воді» і визначення її стабільності.

Емульсію готують на лабораторній установці, схему якої наведено на рис. 2.1.

Циліндричну склянку 3 закріплюють в держателі 1 і встановлюють мішалку 2 по центру склянки. Бюретку 4 закріплюють у штативі 5 і наливають у неї масло. В циліндричну склянку наливають розчин ПАР. Мішалку підключають до регулятора напруги. Тумблер 6 встановлюють у положення «вкл».

Регулятор напруги включають у мережу і встановлюють напругу 130В. У циліндричну склянку з бюретки подають V(мл) вазелінового масла за час 3-5 хвилин, після введення масла продовжують перемішувати ще 5 хвилин.

У такий спосіб готують емульсії з розчинами ПАР, що зазначені в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2

Склад емульсії

У роботі використовуються розчини ПАР концентрацією 10 г/л. (ПАР задаються викладачем).

Для приготування емульсій використовують масло індустріальне чи вазелінове.

Рис. 2.1. Схема лабораторної установки для одержання емульсій.

1. Визначають час розшарування емульсії - переносять 10мл емульсії в пробірку і за допомогою секундоміра визначають час її розшарування на дві фази.

2. 10мл одержаної емульсії відбирають у пробірку і визначають її тип у такий спосіб:

а) Краплю емульсії і краплю води наносять на предметне скло, скло нахиляють так, щоб краплі прийшли в зіткнення. Якщо краплі зіллються, то дисперсійним середовищем є вода, якщо не зіллються – масло.

б) На фільтрувальний папір наносять краплю емульсії. Якщо дисперсійним середовищем є вода, то крапля відразу всмоктується папером, на якому залишається жирна пляма. Крапля емульсії «вода в маслі» не всмоктується.

в) Емульсію розливають у дві пробірки. В одну пробірку додають 2-3 краплі барвника метиленового блакитного (розчинний у воді), в іншу – кілька крупинок жиророзчинного барвника Судану III. Емульсія М/В забарвлюється в синій колір, емульсія В/М – у червоний.

Отримані дані зводять у таблицю 2.3.

Таблиця 2.3

Характеристики емульсії

2. Одержання емульсії зворотного типу.

Відповідно до методики, що описана раніше, одержують емульсію з заданим емульгатором і визначають її тип.

У частину емульсії, що залишилася, при перемішуванні вводять 5мл 0,5М розчину MgCl₂. По закінченні введення всього розчину електроліту перемішування продовжують ще 5хв.

Визначають час розшарування емульсії.

Частину емульсії, що залишилася, використовують для визначення її типу.

Порівнюють тип емульсії до і після введення до неї розчину електроліту.

Отримані дані зводять у таблицю 2.4.

Таблиця 2.4

Вплив електроліту на характеристики емульсії

За даними таблиць 2.3 і 2.4 зробити висновок про ефективність емульгатора.

3. Одержання піни методом струшування розчину піноутворювача в циліндрі.

У градуйовану пробірку або циліндр з притертою пробкою наливають визначений об’єм (2мл) розчину піноутворювача (розчин ПАР задається викладачем) і струшують протягом 15 сек. Після припинення струшування визначають рівень піни, що утворилася (h₀).

Визначають зміни рівня піни в часі: після закінчення струшування включають секундомір і через визначені проміжки часу визначають висоту піни у пробірці (h_1, h_2, h₃ ...) до моменту її повного руйнування.

Аналогічні досліди проводять з розчинами піноутворювача, розведеними в 2, 4, 8, 16 і т.д. раз (до тих концентрацій, поки піноутворювач не буде давати стійкої піни – піна, що утвориться, миттєво руйнується).

Досвід проводять для двох різних піноутворювачів (за вказівкою викладача) і порівнюють їхню ефективність: рівень або об’єм і стійкість одержаної піни.

Отримані результати заносять у таблицю 2.5.

За одержаними даними розраховують швидкість руйнування: . і т.п.

Середня швидкість: .

Таблиця 2.5

Вплив концентрації піноутворювача на рівень піни h

Концентрація піноутворювача А
С1
час, сек	рівень піни h, мл	час, сек	рівень піни h, мл	час, сек	рівень піни h, мл	час, сек	рівень піни h, мл
1 = 0   2 =   3 =	h0   h1   h2
Концентрація піноутворювача В
С1
час, сек	рівень піни h, мл	час, сек	рівень піни h, мл	час, сек	рівень піни h, мл	час, сек	рівень піни h, мл
1 = 0   2 =   3 =	h0   h1   h2

За результатами вимірів будують залежності:

- вплив концентрації піноутворювача на рівень піни

- кінетичну криву руйнування піни (рис.2.2), на якій визначають графічним способом швидкість руйнування на початку процесу, 0;

.

4. Одержання піни методом продуву повітря через розчин піноутворювача.

У градуйовану пробірку наливають 2мл розчину піноутворювача, опускають у розчин скляну трубку і за допомогою гумової груші продувають струмінь повітря через розчин. Аналогічні досліди проводять з розчинами піноутворювача, розведеними в 2, 4, 8, 16 і т.д. раз. Порівнюють структуру пін, одержаних у дослідах 3 і 4.

Питання для самопідготовки.

1. Які системи називаються емульсіями?

2. Які типи емульсій ви знаєте?

3. Як визначають тип емульсії?

4. Що таке „обернення фаз”?

5. Як поділяють емульсії за концентрацією?

6. Як забезпечують агрегативну стійкість емульсій?

7. Як одержують емульсії?

8. Які системи називають пінами?

9. Як одержують піни?

10. Як характеризують стійкість пін?

11. Як погасити піну, коли піноутворення не є бажаним?

12. Як визначити швидкість руйнування піни?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

Тема: Поверхневий натяг і методи його визначення.

Мета: Опанувати методами оцінки поверхневого натягу й оцінити вплив ряду факторів на поверхневий натяг: температури, розчинників, поверхнево-активних речовин.

Устаткування і реактиви: торзійні ваги, дротове кільце d = 0,8мм, штатив зі столиком, серія мірних колб на 25мл і 10мл, фільтрувальний папір, сталагмометр d = 0,56мм у штативі, склянки на 100мл, піпетки градуйовані 0,1; 1,0; 5,0; 10,0мл, розчини ПАР (див. роботу 2), спирт етиловий (ізоаміловий, ізопропіловий, ізобутиловий).

Теоретичні відомості

При збільшені поверхні, наприклад, при розтягувані рідкої плівки, деяке число молекул з внутрішніх областей рідини переходить на поверхню. Цей перехід молекул, з рівноважного стану в особливий стан молекул поверхневого шару вимагає витрати зовнішньої роботи.

Робота, що витрачається на збільшення площі поверхні рідини, переходить у потенційну енергію молекул поверхневого шару – поверхневу енергію G.

Поверхнева енергія, віднесена до одиниці площі S, називається поверхневим натягом ():

(3.1)

Таким чином можна вважати, що поверхневий натяг визначається роботою створення одиниці поверхні.

Поверхневий натяг можна розглядати як некомпенсовану поверхневу енергію, яка є прямим проявом міжмолекулярних взаємодій. Так, молекули, що знаходяться на поверхні рідини або твердого тіла зазнають впливу неврівноважених молекулярних сил, внаслідок чого набувають додаткової енергії у порівнянні з молекулами, що знаходяться всередині рідини або твердого тіла. Проявляє себе поверхнева енергія як сила, що прагне зменшити площу поверхні до мінімально можливої.

Одиниці виміру поверхневого натягу: дін/см, мН/м, мДж/м².

Існує безліч різних методів визначення ПН, кожний з який має як свої переваги, так і недоліки, свої труднощі й обмеження, тому в кожному окремому випадку повинно бути приведене обґрунтування застосування конкретного методу і ступінь точності виміру, що коливається від 0,01 мН/м до 0,001.

У зв'язку з цим, дотепер методи дослідження ПН не стандартизовані.

Вибір методу для визначення ПН є компромісом між точністю, легкістю визначення і придатністю результатів.

Усі методи визначення ПН поділяються на статистичні і динамічні.

У перших поверхня знаходиться в рівновазі і нерухома в момент виміру (не руйнується в момент виміру). До статистичних методів відносяться методи підняття в капілярі; пластинки, що втягується; висячої і лежачої краплі.

У динамічних методах поверхня розподілу фаз, що вимірюється, або руйнується, або рухається. До таких відносяться методи відриву кільця, рахування крапель, максимального тиску пухирця й інші.

Нижче приведена коротка характеристика методів, що найбільш часто застосовуються для визначення ПН.

Статистичні методи

Метод підняття в капілярі.Метод заснований на капілярних ефектах, тобто на здатності рідини втягуватися в капіляр або виштовхуватися з капіляра. Рідина, що змочує капіляр, піднімається в капілярі на висоту h.

Даний метод можна використовувати для виміру міжфазного натягу на границі двох рідин.

Метод пластинки, що втягується (метод Вільгельмі).Метод полягає у вимірі сили, що втягує вертикальну пластинку в рідину.

Метод лежачої і висячої краплі.В основі цих методів лежить визначення форми краплі, що лежить на пластинці, чи підвішеної до кінця капіляра. За допомогою мікроскопа з окулярною сіткою визначають форму і розмір краплі, за якими розраховують поверхневий натяг. Можна фотографувати краплю і по фотографії визначати необхідні для розрахунку параметри.

 

Динамічні методи

Метод максимального тиску пухирця (метод Кантора, Ребіндера).Суть його полягає в тому, що через капіляр, опущений у досліджувану рідину, продуваються пухирці повітря чи пропускаються краплі іншої рідини і замірюється перепад тиску DР при відриві пухирця. Пухирець відривається, коли тиск у ньому більше суми гідростатичного тиску і тиску, що створений поверхневим натягом.

 

Метод відриву кільця (метод Дю Нуї).Цей метод рекомендований Міжнародною комісією з оцінки властивостей поверхнево-активних речовин (СІЕ) у якості стандартного. В основі методу лежить визначення сили, необхідної для відриву рідини, що змочила кільце, від поверхні рідини.

Сила відриву дорівнює:

 

або звідки

(3.2)   (3.3)

 

де - внутрішній, зовнішній і середній радіуси кільця;

- маса кільця і маса, що фіксується при відриві кільця.

На практиці застосовується простий порівняльний метод при якому характеристики випробуваної рідини порівнюються з відомими поверхневим натягом і силою відриву стандартної рідини. Розрахунок ПН ведеться за формулою:

 

;	(3.4)

де - сила відриву кільця від стандартної рідини і від випробуваної;

- поверхневий натяг стандартної рідини.

Силу, що необхідна для відриву кільця, рекомендується визначати за допомогою приладу для визначення поверхневого натягу зі шкалою на 1 грам (рис.3.1).

Рис. 3.1 Прилад (тенсіометр) для визначення поверхневого натягу за методом відриву кільця Дю Нуї.

 

На рис. 3.1 показано прилад для визначення поверхневого натягу за методом Дю Нуї. Кільце, виготовлене з дроту, масою трохи більш 0,5г повинно бути з гачком для підвішування до коромисла ваг. Досліджувану рідину наливають у широку з низькими бортами посудину, встановлену на вертикальній підставці, що закріплена в штативі. Кільце підвішують до коромисла ваг і врівноважують поворотом важеля ваг. Потім на коромисло ваг підвішують додатковий вантаж, маса якого в сумі з масою кільця повинна бути трохи більша 1г – при такому навантаженні коромисло опускається до межі. Столик із посудиною піднімають до зіткнення поверхні рідини з кільцем і знімають з коромисла ваг додатковий вантаж. Після цього кільце буде утримуватися на поверхні рідини лише силами поверхневого натягу. Далі важіль ваг повільно повертають, поки кільце не відірветься від поверхні рідини.

Силу відриву кільця вимірюють кілька разів, перед кожним новим виміром кільце варто обтерти фільтрувальним папером. Для одержання правильних результатів необхідно, щоб площина кільця була строго горизонтальна.

Метод рахування крапель (сталагмометричний метод, метод Харкінса).В основі методу лежить визначення ваги краплі, що відривається від капіляра й утримується силами поверхневого натягу.

Сталагмометр являє собою калібровану бюретку, що закінчується товстостінним капіляром з відшліфованим кінцем, що особливо важливо, тому що капіляр повинний рівномірно змочуватися рідиною (рис. 3.2).

Теоретично сила відриву виражається рівнянням:

;

(3.5)

де - радіус капіляра.

На практиці спостерігається відхилення від зазначеної залежності через ряд причин: відрив краплі супроводжується відривом маленької краплі-супутника (кулька Плато); відрив відбувається не по радіусу капіляра, а спочатку витягується шийка і т.д.

Перед початком роботи сталагмометр промивають хромовою сумішшю, потім ретельно промивають водою.

 

Рис. 3.2. Сталагмометр.

 

При проведенні вимірів поверхневого натягу води і водних розчинів після промивання сталагмометр можна не сушити. В усіх випадках перед виміром сталагмометр промивають не менш трьох разів розчином, що досліджується. Якщо розчини мають різну концентрацію, то спочатку досліджують розведені розчини, а потім більш концентровані.

Зазвичай, для визначення поверхневого натягу досліджуваного розчину використовують стандартну рідину з відомим поверхневим натягом: для водних розчинів – воду (поверхневий натяг води при 20⁰С – 72,8 мН/м).

При кожному дослідженні спочатку підраховують число крапель води, що утворюються з її об’єму між мітками, а потім число крапель досліджуваних розчинів (середнє з 2-3 визначень).

При підрахунку крапель необхідно уникати струсів, поштовхів, коливань повітря і змін температури розчину.

Величина поверхневого натягу s визначається за формулою:

 

;

(3.6)

 

де - число крапель води при витіканні її зі сталагмометру;

- число крапель розчину, що досліджується при його витіканні зі сталагмометру.

Після кожного визначення, в присутності ПАР, потрібно ретельне очищення капіляру, інакше відбувається відрив рідини безпосередньо від капіляра, а не від рідини і результат виходить невірний.

 

ЗАВДАННЯ

1. Визначити ПН заданого розчину методом, зазначеним викладачем.

2. Порівняти ступінь точності оцінки ПН розчину, визначеного методами Дю Нуї і рахування крапель.

3. Побудувати ізотерму ПН розчину ПАР і визначити показники, які використовуються як фізико-хімічні критерії оцінки ПАР ( , ККМ, Г).

Для побудови ізотерм поверхневого натягу готують серію розчинів ПАР різної концентрації: від 0,1г/л до 3г/л і вимірюють поверхневий натяг кожного розчину при температурі 20 ⁰С близько п'яти разів. Після чого будують графік ізотерми поверхневого натягу в координатах (рис.3.3).

Рис. 3.3. Ізотерма поверхневого натягу

Для оцінки ККМ залежність представляють в напівлогарифмічних координатах, тобто (рис. 3.4).

По ізотермі в напівлогарифмічних координатах знаходять:

- максимальне зниження поверхневого натягу (перехід від криволінійного до прямолінійної ділянки ізотерми);

- ККМ – критичну концентрацію міцелоутворення (перехід від похилої ділянки до горизонтальної).

Рис. 3.4. Ізотерма поверхневого натягу

в напівлогарифмічних координатах.

Зв'язок між величиною адсорбції, поверхневим натягом і концентрацією речовини, що адсорбується, виражається рівнянням Гіббса:

;

(3.7)

де R – універсальна газова стала;

T – температура розчину, К.

Тангенс кута нахилу дотичної, проведеної до ізотерми в напівлогарифмічних координатах дорівнює . Підставивши його значення в рівняння:

,

(3.8)

розраховують - константу, що характеризує граничну адсорбцію речовини в поверхневому шарі.

4. Здійснити порівняльну оцінку ефективності заданих ПАР.

Зміна поверхневого натягу (де і - поверхневий натяг системи з ПАР і без ПАР) може служити оцінкою диспергуючої дії ПАР: зі зниженням ПН полегшується диспергирування гетерогенних систем. При деяких концентраціях досягається межа розчинності С_р (у випадку колоїдних ПАР ) і поверхневий натяг більше не знижується. Отже, максимальний питомий ефект, що може бути досягнуто, складає . Зазначений показник використовується для оцінки властивостей дисперсних систем, ефекту Ребіндера, емульгування, піноутворення, флотації, відмивання забруднень, нафтовіддачі.

Питання для самопідготовки

1. Що таке поверхневий натяг?

2. Яка залежність між поверхневим натягом та міжмолекулярними зв’язками?

3. Які існують методи визначення поверхневого натягу?

4. Поясніть, чому поверхневий натяг можна розглядати як некомпенсовану поверхневу енергію.

5. Побудуйте ізотерму поверхневого натягу.

6. Покажіть вплив температури на ізотерми.

7. Як впливають на ізотерми речовини з різною поверхневою активністю?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4

Тема: Стійкість колоїдних розчинів.

Коагуляція і стабілізація дисперсних систем.

Мета: Ознайомлення з проблемою стійкості колоїдних розчинів та шляхами її вирішення на практиці. Освоєння методики визначення порогу коагуляції та захисного числа стабілізатора.

Устаткування і реактиви: ФЕК, кювети 1 і 0,5см 2% - ий розчин хлориду феруму (III) FeCl₃, 10шт мірних колб 250мл, піпетки 10мл, розчини сульфату натрію, ацетату натрію, желатин.

Теоретичні відомості

Стійкість – це здатність системи певний час зберігати незмінною свою структуру, тобто розміри частинок та їх рівномірний розподіл в об’ємі системи.

Розмежовують стійкість седиментаційну (кінетику) і агрегативну. Ці два види стійкості різняться за своїм механізмом і вимагають різних підходів до розглядання.

Седиментаційна стійкість – це здатність дисперсної системи зберігати незмінним у часі розподіл частинок в об’ємі системи, тобто здатність системи протидіяти силі тяжіння.

Седиментаційна стійкість визначається головним чином розмірами частинок дисперсної фази:

– ліофобні золі (10^-5...10^-7) – стійкі, для них властива дифузія, яка забезпечує рівномірний розподіл частинок в об’ємі:

потік седиментації і_сед<< і_диф, тобто <<1;

– мікрогетерогенні системи (від 0,1 до 10мкм) – встановлюється седиментаційно-дифузійна рівновага. Ці системи стійкі, але в них розподіл частинок не рівномірний, а рівноважний; тобто потік седиментації і_сед дорівнює потоку дифузії і_диф: 1, або і_сед і_диф;

– грубодисперсні системи (>10^-3см) – седиментаційно нестійкі, має місце швидка седиментація: >>1; тобто і_сед>> і_диф.

Агрегативна стійкість – це здатність системи зберігати незмінним у часі ступінь дисперсності частинок, тобто їх розміри.

Концентраційна коагуляція виникає під дією інденферентного електроліту внаслідок стиску дифузного шару противоіонів і зменшення -потенціалу.

Нейтралізаційна коагуляція виникає при введені неінденферентного електроліту, який зв’язує потенціаловизначаючі іони, що веде до зменшення абсолютних величин термодинамічного і електрокінетичного потенціалу.

При дії на золь суміші електролітів виникають три випадки:

1. адитивна дія (електроліти діють незалежно);

2. синергізм дії (посилення дії);

3. антагонізм дії (ослаблення дії одного електроліту іншим).

Теорія стійкості золів розглядає процес коагуляції як результат одночасної дії між частинками сил Ван-дер-Ваальса і сил відштовхування. В залежності від їх співвідношення між частинами виникає позитивний розклінюючий тиск, який протидіє їх з’єднанню, або негативний, який приводить до коагуляції.

Теорія дозволила розрахувати молекулярну і електрокінетичну складові розклінів тиску та побудувати криві потенційної енергії системи в залежності від відстані між частинками.

Потенціальний бар’єр і потенціальні ями визначають агрегативну стійкість і можливість коагуляції золів.

Щоб запобігти агрегації золів та захистити їх від коагулюючої дії електролітів, використовують розчини високомолекулярних сполук (ВМС) та колоїдних поверхнево-активних речовин (ПАР). Цей процес запобігання коагуляції називається колоїдним захистом золів. Стабілізуюча дія ВМС та ПАР ґрунтується на утворенні на поверхні частинок дисперсної фази адсорбційних желеподібних плівок, що приводить як до зменшення міжфазного натягу, так і до виникнення структурно-механічного поверхневого шару.

Захисна здатність полімерів або ПАР відносно вибраного золю визначається захисним числом S – кількістю речовини, яка необхідна для стабілізації одиниці об’єму золю. Захисне число розраховують за формулою:

, г/л золю (4.2)

де С_сm – концентрація розчину стабілізатора, г/л;

V_зах – об’єм розчину стабілізатора, який потрібен для попередження коагуляції золю, мл;

V – об’єм золю, мл.

Поріг коагуляції та захисне число можна визначити методом турбідиметрії.

ЗАВДАННЯ

І. Визначити поріг коагуляції золю Fe(OH)₃.

1. Одержання гідрозолю Fe(OH)₃.

У колбу 250мл з киплячою дистильованої водю додати 10мл 2% розчину FeCl₃

FeCl₃ + 3H₂O Fe(OH)₃ + 3HCl

Червоно-коричневий золь, який утворився, охолодити до кімнатної температури. На світлі золь повинен виглядати абсолютно прозорим.

2. Визначення порога коагуляції.

У 10 колб налити піпеткою води та електроліту (розчини Na₂SO₄ 0,03М, або CH₃COONa 0,03М), як вказано в табл. 4.1. Потім в усі колби додають по 10мл золю. Вміст колб перемішують струшуванням, записують час початку досліду

Визначити оптичну густину D золю

На фотоелектрокалориметрі при світофільтрах №8 або №9 ( = 620...625 нм) в кюветі 10мм послідовно визначають оптичну густину розчинів проти контролю. Одержанні данні занести в таблицю 4.2.

Таблиця 4.2

Оптична густина золю, D в залежності від об’єму електроліту

4. Побудувати графік залежності D = f(V_{електроліту}).

Знайти пороговий об’єм електроліту V_k, який викликає швидку коагуляцію золю, та розрахувати поріг коагуляції за формулою:

(4.3)

де С_ел – концентрація розчину електроліту, що викликає коагуляцію;

V – об’єм золю (20мл).

ІІ. Визначити захисне число полімеру (желатину) відносно золю Fe(OH)₃.

1. Приготувати у 10 колбах розчини загальним об’ємом 20мл.

Таблиця 4.3

Захисний об’єм розчину желатину

Спочатку у кожну колбу додати по 10мл вихідного розчину золю Fe(OH)₃, розчин желатину з таблиці 4.3, води об’ємом (V_вода = 10 – V_ж – V_к), де V_к - пороговий об’єм електроліту, V_ж – об’єм желатину.

2. Через 5 – 10 хвилин після додавання електроліту визначити оптичну густину розчинів та занести значення у табл. 4.3.

3. Побудувати графік залежності D = f(V_ж), знайти захисний об’єм розчину желатину V_зах та розрахувати захисне число

, (4.4)

(V_зах = 20мл)

Питання для самопідготовки

1. Що таке коагуляція? Під впливом яких факторів вона проходить?

2. Які системи називають ліофільними, а які – ліофобними?

3. Що таке поріг коагуляції?

4. Що таке седиментаційна стійкість та стійкість агрегативна?

5. Що спільного і що відмінного у двох видах коагуляції: нейтралізаційній та концентраційний?

6. Від якого фактору залежить седиментаційна стійкість в першу чергу?

7. Як впливає заряд іонів електроліту на поріг коагуляції?

8. Сформулюйте правила коагуляції.

9. Дія яких факторів забезпечує агрегативну стійкість ліофобних систем?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5

Тема: Адсорбція на границі розподілу

тверде тіло – розчин.

Ціль: Опанувати методами дослідження процесу адсорбції, одержати навички побудови ізотерм сорбції і кінетичних кривих сорбції на прикладі адсорбції полімерів з розчинів твердими поверхнями (текстильним матеріалом).

Устаткування і реактиви: торзійні ваги, сушильна шафа, секундомір, фотоелектроколориметр, кювети товщиною 0,5см, текстильні матеріали різного сировинного складу (зразки по 0,1г.), кювети для розчину, мірні колби на 25мл (5шт.), сталагмометр d=0,7-0,9мм, піпетки градуйовані 1; 5; 10мл, розчини полімеру 30 г/л (полівініловий спирт (ПВС), полівінілацетат (ПВА), крохмаль), розчин I₂ на KI 0,01н.

Теоретичні відомості

Адсорбція є окремим випадком сорбції – поглинання газів, пари і розчинених речовин твердими тілами і рідинами. Адсорбцією називається концентрування речовини (адсорбата, адсорбтива) з об’єму фаз на поверхні розподілу між ними, наприклад, з газу чи розчину на поверхні твердого тіла (адсорбенту) чи рідини. Адсорбція відбувається під впливом молекулярних сил поверхні адсорбенту і веде до зменшення поверхневої енергії.

Процес адсорбції описується схемою:

	адсорбція
Адсорбат + Адсорбент		Адсорбційний комплекс
(атоми, молекули їх агрегати)	(тверде тіло)	десорбція	(тверде тіло зі зв'язаним на поверхні адсорбентом)

За цією схемою адсорбцію можна розглядати як процес збагачення поверхні твердого тіла адсорбатом.

Ця схема узагальнює все різноманіття адсорбційних систем для різних типів адсорбатів і адсорбентів. Молекули адсорбенту, наближаючись з об’єму газу чи розчину до поверхні розподілу фаз, піддаються притяжінню з боку цієї поверхні, при зіткненні з нею притяжіння врівноважується відштовхуванням, у результаті чого поверхня адсорбенту покривається тонким (адсорбційним) шаром молекул адсорбату.

В залежності від природи адсорбційних сил розрізняють фізичну адсорбцію і хімічну чи хемосорбцію.

При фізичній адсорбції молекули адсорбату зберігають свою індивідуальність, при хімічній вони утворюють поверхневу хімічну сполуку з адсорбентом.

Величина адсорбції розчиненої речовини на твердому адсорбенті визначається різницею між початковою концентрацією розчину і концентрацією, що встановлюється при досягненні адсорбційної рівноваги.

Кількісне вираження адсорбції характеризує кілька величин:

а, моль/м, - кількість адсорбтиву в об’ємі адсорбційного шару, що приходиться на одиницю маси адсорбенту;

a, моль/м² і моль/см², - кількість адсорбованої речовини на одиницю поверхні адсорбенту, тобто поверхнева концентрація адсорбтиву.

Для характеристики адсорбції служать в основному ізотерми, що виражають залежність кількості адсорбованої речовини від рівноважного тиску чи концентрації при постійній температурі: а = f(p) чи а = f(C) при Т = соnst (рис. 5.1