Тема 4. Образование и свойства лиофильных и лиофобных дисперсных систем

1. Напишите формулу мицеллы олеата натрия в водном растворе, если число агрегации равняется 60. как изменится строение мицеллы при введении в раствор больших количеств NaCl?

2. Оцените поверхностную активность лаурилсульфата на границе раздела его водного раствора с воздухом, если известно, что при ККМ, равной 0,015 моль/л, поверхностное натяжение составляет 30 мДж/м². Поверхностное натяжение воды примите равным 71,96 мДж/м².

3. Рассчитайте теплоту мицеллообразования, а также стандартную энергию Гиббса и энтропию процесса при 293 К, используя следующие значения ККМ для додецилсульфата натрия в растворах NaCl:

Т, К …………………………… 293 311 333

ККМ, ммоль/л

в 0,01 М растворе NaCl……. 5,13 5,37 6,17

в 0,2 М растворе NaCl……… 0,76 0,87 1,45

Проанализируйте изменение термодинамических функций мицеллообразования и влияние электролита.

4. Полистирол с молекулярной массой 300 000 адсорбируется из толуольного раствора на углеродном адсорбенте, имеющем удельную поверхность 0,12 м²/г. Величина предельной адсорбции при образовании монослоя равна 0,033 г/кг. Рассчитайте площадь, приходящуюся на одну молекулу полистирола в плотном монослое, и число молекул на поверхности 1 кг адсорбента.

5. Используя уравнение Дебая, рассчитайте мицеллярную массу ПАВ и радиус мицелл в воде по следующим данным:

Концентрация раствора с, г/л 0,5 1,0 1,5 2,0 4,0

Мутность раствора t×10⁹, см^-1 1,70 2,68 3,54 3,85 5,09

Константу в уравнении Дебая примите равной Н = 3×10^-11, плотность ПАВ 1140 г/см³, ККМ 0,1 г/л.

6. Рассчитайте радиус мицелл ПАВ в водной среде, считая их сферическими, по следующим данным: коэффициент диффузии мицелл при 313 К равен 0,69×10^-11 м²/с, вязкость среды 8×10^-4 Па×с.

7. Постройте изотерму поверхностного натяжения s = f(ln c) по результатам измерения поверхностного натяжения водных растворов додецилсульфата натрия С₁₂Н₂₅ОSO₃Na на границе с воздухом при 293 К:

с, ммоль/л	s×103, Дж/м2	с, ммоль/л	s×103, Дж/м2	с, ммоль/л	s×103, Дж/м2
0,2	67,3	1,2	51,8	5,0	36,8
0,3	65,0	1,4	49,9	6,0	36,5
0,5	61,0	1,6	48,0	7,0	36,4
0,6	59,4	1,8	46,7	10,0	36,3
0,8	56,4	2,0	45,1	15,0	36,3
1,0	54,0	3,0	40,6

Объясните, какие процессы, происходящие на поверхности системы и в ее объеме, обуславливают появление точек перегиба на изотерме. Рассчитайте площадь, занимаемую одной молекулой ПАВ в монослое и ККМ.

8. Постройте кинетическую кривую набухания каучука в четыреххлористом углероде по следующим экспериментальным данным:

Время набухания t, мин ……… 6 30 90 150 210 240 270 330

Степень набухания a_t ………… 0,33 1,15 2,33 2,91 3,25 3,41 3,58 3,58

Определите графическим способом константу скорости набухания К.

9. Постройте график зависимости приведенного осмотического давления p от концентрации с раствора сополимера стирола и метакриловой кислоты в толуоле (Т=300 К) по следующим данным:

с, г/л…….... 1,1 2,8 5,4 7,6 9,4 8,5

p×10^-2, Па… 0,098 0,373 1,064 1,874 2,717 2,330

Рассчитайте молекулярную массу сополимера и второй вириальный коэффициент.

10. По уравнению Дебая рассчитайте молекулярную массу полистирола и второй вириальный коэффициент, используя следующие данные по измерению светорассеяния растворов полистирола в толуоле:

Концентрация раствора, г/л 1,11 1,45 1,88 2,43 2,87

Мутность раствора p×10⁸, м^-1 3,68 4,47 5,55 6,50 7,13

Постоянную Н примите равной 1,17×10^-13.

11. Золь AgI получен при добавлении 8 мл водного раствора KI концентрацией 0,05 моль/л к 10 мл водного раствора AgNO₃ концентрацией 0,02 моль/л. Напишите формулу мицеллы образовавшегося золя. Как заряжена частица золя? Каким методом можно определить этот заряд?

12. Золь гидроксида железа (III) получен при добавлении к 85 мл кипящей дистиллированной воды 15 мл 2%-ного раствора хлорида железа (III). Напишите формулу мицелл золя Fe(OH)₃ учитывая, что при образовании частиц гидроксида железа (III) в растворе присутствуют следующие ионы Fe⁺³, Cl^-. Как заряжены частицы золя?

13. В воздухе, содержащим пары воды, образуется туман при температуре 269 К, когда коэффициент пересыщения становится равным 3,71. рассчитайте критический размер ядер конденсации и число молекул, содержащихся в них. Поверхностное натяжение воды 76,4 мДж/м², плотность воды 1 г/см³.

14. Рассчитайте концентрацию силиката натрия, находящегося в растворенном состоянии в равновесии с аморфными частицами (удельная поверхность частиц 3×10⁵ м²/кг) гидрозоля кремнезема при 298 К. растворимость кремнезема в равновесии с макрофазой при этой же температуре составляет 0,015% (масс.). Плотность частиц SiO₂ равна 2,2 г/см³, поверхностное натяжение на границе кремнезема с раствором 45 мДж/м².

15. Рассчитайте энергию Гиббса образования зародыша критического размера в пересыщенном растворе кремниевой кислоты, полученной из водного раствора силиката натрия с помощью ионного обмена. Поверхностное натяжение на границе кремнезема с водой примите равным 45 мДж/м². коэффициент пересыщения раствора равен 3. плотность частиц 1,8 г/см³.

16. Гидрозоль кремнезема, полученный из силиката натрия путем ионного обмена, после термической обработки содержит аморфные частицы плотностью 2,2 г/см³. оцените поверхностное натяжение кремнезема на границе с водным раствором, если растворимость при 298 К макрофазы составляет 0,015% (масс.), а частиц с удельной поверхностью 8×10⁴ м²/кг равна 0,016% (масс.).

17. Время половинной коагуляции тумана минерального масла с удельной поверхностью 1,5×10⁷ м^-1, концентрацией 25 мг/л составляет 240 с. Рассчитайте и постройте кривую изменения суммарного числа частиц при коагуляции для следующих интервалов времени: 60, 120, 240, 480 и 600 с. Плотность масла 0,970 г/см³.

18. При изучении оптическим методом кинетики электролитной коагуляции гидрозоля AgI, стабилизированного ПАВ, получено значение константы скорости быстрой коагуляции, равное 3,2×10^-18 м³/с (при 293 К). Вязкость среды 1×10^-3 Па×с. Сравните эту константу с константой, даваемой теорией Смолуховского. Объясните влияние ПАВ на характер коагуляции.

19. По экспериментальным данным время половинной коагуляции гидрозоля составляет 340 с при исходной частичной концентрации частиц 2,52×10¹⁴ част./м³, вязкости дисперсионной среды 1×10^-3 Па×с и температуре 293 К. сделайте вывод, быстрой или медленной является коагуляции. Как изменится скорость коагуляции, если вязкость среды увеличить в 3 раза?

20. Во сколько раз уменьшится суммарное число частиц n_S дыма мартеновских печей через 1, 10, 100 сек. после начала коагуляции? Средний радиус частиц 20 нм, концентрация 1×10^-3 кг/м³, плотность частиц 2,2 г/см³. Константа быстрой коагуляции, по Смолуховскому, равна 3×10^-16 м³/с.

 

Тема 5. Теоретические вопросы

1. Что изучает коллоидная химия. По каким признакам классифицируют объекты коллоидной химии? Приведите примеры дисперсных систем. Какие поверхностные явления изучает коллоидная химия?

2. Что является мерой гетерогенности и степени раздробленности дисперсных систем? Какими параметрами характеризуют степень раздробленности, и какова связь между ними? Что такое поверхностное натяжение, и в каких единицах оно измеряется? Какие методы используют для определения поверхностного натяжения жидкостей и твердых тел?

3. Как и почему зависит поверхностное натяжение тел от температуры? По какому уравнению можно рассчитать полную поверхностную энергию? Какие данные необходимы для такого расчета? Как влияет температура на теплоту и энтропию образования единицы поверхности и на полную поверхностную энергию неассоциированных жидкостей?

4. Что называется адсорбцией и как количественно ее характеризуют? Напишите фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса и дайте определение избыточной адсорбции. Каково соотношение между избыточной Г и абсолютной адсорбциями А? В каких случаях можно принять А @ Г? Что такое отрицательная гиббсовская адсорбция?

5. Что называют адгезией и смачиванием? Какие параметры используют для их количественной характеристики? Покажите взаимосвязь между адгезией и способностью жидкости смачивать твердую поверхность. В чем состоит различие между явлениями адгезии и смачивания?

6. Что такое поверхностная активность? Какие вещества называются поверхностно-активными? Дайте характеристику и приведите примеры гидрофильных и гидрофобных поверхностей. Как можно повлиять на смачивание поверхности?

7. Что такое интегральная и дифференциальная теплоты смачивания, и какие существуют методы их определения? Что такое углы натекания и отекания и как по ним можно найти равновесный краевой угол? Как влияет неоднородность и шероховатость твердых поверхностей на их смачивание и адгезию?

8. Что такое коэффициент Гаркинса? Каковы условия растекания жидкостей? Рассмотрите особенности растекания жидкостей на твердых поверхностях. Как влияет кривизна поверхности и природа жидкости на ее внутреннее давление?

9. Как влияет дисперсность вещества на его реакционную способность, давление пара, растворимость, константу равновесия химических реакций? Как влияет электрический потенциал на поверхностное натяжение тел? Какими уравнениями выражается взаимосвязь между этими параметрами?

10. Дайте определение понятия адсорбции. Что такое изотерма, изостера и изопикна адсорбции? При каких условиях соблюдается при адсорбции закон Генри? Каков физический смысл константы Генри?

11. Напишите уравнение изотермы адсорбции теории мономолекулярной адсорбции Ленгмюра. Объясните физический смысл входящих в него величин. При каких условиях это уравнение применимо? Чем отличаются константы адсорбции в уравнениях Легмюра и Генри, и какова взаимосвязь между ними?

12. Объясните физический смысл констант уравнения БЭТ. При каких условиях это уравнение выполняется? Как определяют константы уравнения БЭТ? Для чего применяют это уравнение? Какие адсорбаты используют при определении удельной поверхности адсорбентов методом БЭТ, и при каких условиях проводят измерения?

13. Применительно, к каким адсорбентам адсорбция описывается теорией капиллярной конденсации? Каковы исходные положения этой теории? Как рассчитываются кривые распределения пор по размерам их данных капиллярной конденсации, и каково их назначение?

14. Каковы особенности характеристической кривой адсорбента? Что означает аффинность характеристических кривых? Каковы особенности адсорбции на микропористых адсорбентах, и какая теория используется для описания адсорбции на этих сорбентах? Как рассчитать общий объем пор у микропористого адсорбента?

15. Дайте определение интегральной и дифференциальной теплоты адсорбции. Как находят изостерическую и «чистую» теплоты адсорбции? Объясните, как влияет степень заполнения поверхности на теплоту адсорбции и адсорбционный потенциал?

16. Чем отличается адсорбция из растворов от адсорбции газов и паров? Какие уравнения используют для описания изотермы обменной молекулярной адсорбции из растворов? Какие уравнения описывают зависимость поверхностного натяжения растворов ПАВ от их концентрации? При каких условиях они применимы?

17. Сформулируйте правило Дюкло-Траубе и поясните его физический смысл. При каком строении поверхностных пленок соблюдается это правило? В чем заключается обратимость этого правила? Покажите взаимосвязь между константой адсорбции Генри и поверхностной активность.

18. Чем обусловлено броуновское движение частиц дисперсных систем? В каких системах возможно броуновское движение? Приведите примеры. Какова количественная взаимосвязь между броуновским движением частиц и тепловым движением молекул среды. Как можно рассчитать число Авогадро, используя это соотношение?

19. Какие выводы можно сделать из теории броуновского движения, обобщающей свойства истинных растворов и золей? Как можно определить размеры дисперсных частиц или концентрацию их в лиозолях по осмотическому давлению? Какие известны Вам методы дисперсионного анализа? Укажите области их применения. Для каких дисперсных систем применяется седиментационный анализ в гравитационном поле и в центробежном поле?

20. Напишите уравнение Стокса для скорости седиментации в гравитационном поле. Каков физический смысл входящих в него величин? Изменением каких параметров системы можно изменять скорость осаждения частиц? Каковы условия соблюдения закона Стокса при седиментации? Какие отклонения наблюдаются при несоблюдении этих условий?

21. Что такое константа седиментации и что она характеризует? Напишите выражение для константы седиментации сферических частиц, если осаждение их подчиняется закону Стокса. Какие системы называют монодисперсными и полидисперсными? Что служит характеристикой полидисперсности системы?

22. Каково назначение интегральных и дифференциальных кривых распределения частиц по размерам? Как изменяется вид кривых распределения частиц по размерам? Как изменяется вид кривых распределения по мере приближения полидисперсной системы к монодисперсной? Как определить содержание частиц для данного интервала размеров по интегральной и дифференциальной кривым распределения?

23. Для каких систем применяется седиментационный анализ в центробежном поле? Как изменяется скорость оседания частиц в центробежном поле в процессе седиментации? Напишите выражение для константы седиментации в центробежном поле?

24. Что такое диффузно-седиментационное равновесие? Чем характеризуются кинетическая и термодинамическая седиментационная устойчивость системы? Как определяют размеры частиц в условиях диффузионно-седиментационного равновесия?

25. Каковы возможные причины возникновения двойного электрического слоя на межфазной поверхности? Приведите примеры механизмов образования двойного электрического слоя в различных дисперсных системах. Дайте характеристику строения двойного электрического слоя на поверхности раздела фаз. Как изменяется потенциал с расстоянием от поверхности?

26. Дайте характеристику строения двойного электрического слоя на поверхности раздела фаз. Как изменяется потенциал с расстоянием от поверхности? Расскажите об основных положениях теории строения двойного электрического слоя. Какое соотношение лежит в основе этой теории?

27. Что понимают под толщиной диффузной части двойного электрического слоя? Чем определяется толщина плотной и диффузной частей двойного электрического слоя? перечислите электрокинетические явления и объясните, чем они обусловлены.

28. Что называют электрокинетическим потенциалом? Какие факторы влияют на z - потенциал? Как изменяется z - потенциал отрицательно заряженных частиц при введении в золь нитратов калия, бария и лантана? При каких условиях применимо уравнение Гельмгольца-Смолуховского для скорости электрофореза.

29. Какими свойствами должна обладать контактная жидкость? Что собой представляет релаксационный эффект, электрофоретическое торможение и поверхностная проводимость? В каких случаях их необходимо учитывать при расчете z - потенциала?

30. По какому признаку дисперсные системы делят на лиофобные и лиофильные? Чем объяснить самопроизвольное возрастание межфазной поверхности при образовании лиофильных дисперсных систем?

31. Какой параметр используется в качестве критерия лиофильности дисперсной системы? Какие виды энергии сопоставляются в уравнении Ребиндера-Щукина? Какие дисперсные системы относят к лиофильным? Приведите примеры таких систем. Как происходит формирование частиц дисперсной фазы в лиофильных системах?

32. Как классифицируют поверхностно-активные вещества? Чем отличаются коллоидные ПАВ от истинно растворимых? Что называют критической концентрацией мицеллообразования?

33. Какие существуют методы определения ККМ? Почему при концентрациях, превышающих ККМ, поверхностное натяжение растворов ПАВ практически не изменяется? какие факторы влияют на ККМ? Как и почему влияет длина углеводородного радикала на ККМ в разных по полярности растворителях?

34. Каким образом ориентируются молекулы ПАВ в мицеллах, образующихся в полярной и неполярной средах? От чего зависит форма мицелл в растворах коллоидных ПАВ? Как влияет на ККМ природа полярной группы молекул ПАВ?

35. В чем проявляется взаимосвязь поверхностных и объемных свойств растворов коллоидных ПАВ. Какое явление называют солюбилизацией? Чем обусловлено это явление? Каково практическое значение этого явления?

36. Расскажите о практическом применении ПАВ. На чем основано использование ПАВ в качестве стабилизаторов дисперсных систем? В чем заключается механизм моющего действия растворов ПАВ?

37. Каковы особенности растворения полимеров?какой процесс называется набуханием? В каких случаях происходит ограниченное и неограниченное набухание полимера? укажите характеристики набухания полимеров в низкомолекулярных жидкостях. Что такое степень набухания и как она определяется?

38. Что характеризует второй вириальный коэффициент в уравнении состояния растворов полимеров? По изменению, каких свойств растворов полимеров можно определить этот параметр?

39. Как влияет рН раствора на форму молекул полиамфолитов? Что такое изоэлектрическая точка полиэлектролитов? Как влияет индифферентные электролиты на заряд и форму молекул полиэлектролитов?

40. Как влияет изменение конформаций макромолекул на вязкость и светорассеяние растворов полиамфолитов? Каково практическое применение растворов полимеров? рассмотрите факторы, обеспечивающие агрегативную устойчивость дисперсных систем при стабилизации их полимерами.

41. Назовите виды устойчивости дисперсных систем в соответствии с классификацией Пескова. В чем заключается различие между лиофильными и лиофобнми коллоидными системами? Чем обусловлена агрегативная неустойчивость лиофобных дисперсных систем? Какие процессы самопроизвольно происходят в этих системах?

42. Какими методами получают лиофобные дисперсные системы? Приведите примеры. На что затрачивается работа при дроблении и измельчении материалов? Каким образом можно уменьшить работу измельчения и повысить дисперсность измельчаемого материала?

43. Чем отличаются процессы гомогенной и гетерогенной конденсации и каковы причины возникновения метастабильного состояния в пересыщенных системах? Чем определяется критический радиус зародыша новой фазы? Как можно регулировать размеры частиц лиофобных дисперсных систем, получаемых методом конденсации?

44. Какой процесс называют коагуляцией? Чем завершается процесс коагуляции? Какими способами можно вызвать коагуляции лиофобной коллоидной исстемы? Что называют быстрой и медленной коагуляцией?

45. Какова взаимосвязь между скоростью коагуляции и видом потенциальной кривой взаимодействия частиц? Какие параметры дисперсной системы влияют на скорость коагуляции частиц в соответствии с теорией Смолуховского? Чем отличаются константы скорости быстрой и медленной коагуляции?

46. Каково различие между нейтрализационной и концентрационной коагуляцией лиофобных золей электролитами? Как влияет заряд коагулирующего иона на порог быстрой коагуляции?

47. Действием, каких факторов обеспечивается агрегативная устойчивость лиофобных дисперсных систем? Какие вещества используют в качестве стабилизаторов этих систем? Что такое расклинивающее давление и каковы причины его возникновения?

48. Назовите составляющие расклинивающего давления. Какие составляющие расклинивающего давления рассматривает теория устойчивости ДЛФО? Приведите примеры потенциальных кривых взаимодействия между частицами для дисперсных систем с различной степенью устойчивости.

49. каковы особенности коагуляции частиц в первом и вторичном энергетических минимумах в соответствии с теорией ДЛФО? В чем заключается сходство и различие суспензий и лиозолей?

50. Как классифицируют эмульсии? Какие вещества используют в качестве стабилизаторов прямых и обратных эмульсий?

51. В чем заключаются особенности стабилизации пен? Какими параметрами характеризуют устойчивость пен?

52. Как классифицируют аэрозоли? В чем причины принципиальной агрегативной неустойчивости этих систем? Приведите примеры практического использования суспензий, лиозолей, эмульсий, пен и аэрозолей.

53. Какими основными структурно-механическими свойствами характеризуются дисперсные системы? Каким методом они выявляются? Каковы причины возникновения структур в дисперсных системах?

54. Какие жидкости называются ньютоновскими? Напишите уравнение Ньютона для течения жидкостей. Объясните физический смысл входящих в него параметров. Нарисуйте кривые течения и вязкости для ньютоновских систем.