Презентация на тему "Коллоидная химия"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Коллоидная химия

  В отличие от базовых химических дисциплин, объектами изучения которых являются те или иные вещества и их смеси, объектами исследования коллоидной химии являются реальные физические тела и материалы. Поэтому коллоидную химию можно назвать физикой и химией реальных тел.

• 
  Слайд 2

  Краткий исторический экскурс

  Термин «Коллоидная химия» происходит от понятия коллоиды, что означает клееподобные тела (от греческого «æολλα» или латинского «colla» - клей). Томас Грэм (1861г.). Дата возникновения как самостоятельной науки 1906 год, в Лейпциге начал выходить журнал «Коллоидцайтшрифт» (В.Ф. Оствальд). Накопленный экспериментальный материал указывал на особые св-ва некоторых в-в и их р-ров: сами эти в-ва (желатина, крахмал, яичный белок) обладали клееподобнымисв-вами, не фильтровались в растворах через мембраны (пергаментную плёнку), а их р-ры рассеивали свет. Т. Грэм выделил такие в-ва в особую группу в-в (коллоиды), в отличие от в-в первой группы - хорошо кристаллизирующихся и диффундирующих в р-рах через мембраны – (кристаллоиды).

• 
  Слайд 3
  

  Термин «Коллоидная химия» происходит от понятия коллоиды, что означает клееподобные тела (от греческого «æολλα» или латинского «colla» - клей). Томас Грэм (1861г.). Дата возникновения как самостоятельной науки 1906 год, в Лейпциге начал выходить журнал «Коллоидцайтшрифт» (В.Ф. Оствальд). Накопленный экспериментальный материал указывал на особые св-ва некоторых в-в и их р-ров: сами эти в-ва (желатина, крахмал, яичный белок) обладали клееподобнымисв-вами, не фильтровались в растворах через мембраны (пергаментную плёнку), а их р-ры рассеивали свет. Т. Грэм выделил такие в-ва в особую группу в-в (коллоиды), в отличие от в-в первой группы - хорошо кристаллизирующихся и диффундирующих в р-рах через мембраны – (кристаллоиды).

• 
  Слайд 4
  

  Признаки объектов коллоидной химии – гетерогенность (многофазность) и дисперсность (проф. Н.П. Песков, 1917). Это послужило основой для формирования современной коллоидной химии как науки о поверхностных явлениях и дисперсных системах. В настоящее время коллоидная химия получила чрезвычайно широкое применение в самых различных областях человеческой деятельности. Дисперсное состояние материи и поверхностные явления универсальны и многообразны, потому явления и объекты изучения коллоидной химии встречаются повсеместно. Различные ДС ест. и искуст. происхождения широко исп-сяв разл. областях челов. деятельности и влияют на её существование, поэтому коллоидная химия носит общенаучный хар-ри служит научной основой многих произв. и технол. процессов.

• 
  Слайд 5
  

  Для решения экологических проблем также необходимо знание коллоидной химии (при очистке воздуха, природных и сточных вод). В мировой промышленности используются более 500 тыс. различных химических соединений. Из них около 40 тыс. являются вредными для человека, а около 12 тыс. обладают токсическими свойствами. В результате промышленной деятельности человека создан широкий ряд таких новых химических веществ и отходових производства, которые не имеют аналогов в природе и поэтому не могут уничтожаться естественным биологическим и биохимическим путем. Основные процессы и явления, используемые для борьбы с загрязнением среды, в которой обитает человек, подробно изучаются в курсе коллоидной химии.

• 
  Слайд 6

  Современная коллоидная химия:

  учение о поверхностных явлениях учение о дисперсных системах Поверхностные явления– совокупность процессов, происходящих на поверхности раздела соприкасающихся фаз и вызванных особыми свойствами межфазных поверхностных слоев. Дисперсная система – гетерогенная система из двух или большего числа фаз, из которых одна (дисперсионная среда) непрерывна, а другая (дисперсная фаза) диспергирована (распределена) в ней в виде отдельных частиц (твёрдых, жидких или газообразных). При размере частиц 10-5см и меньше система называется коллоидной.

• 
  Слайд 7
  

  Для удобства сравнения различных систем, размера их частиц и величины поверхности раздела фаз пользуются понятиями дисперсность (раздробленность) и удельная поверхность систем. УдельнаяповерхностьSуд– это величина межфазной поверхности, приходящаяся на единицу объёма (или массы) дисперсной фазы: или где S12 – поверхность между фазами 1 и 2; V1 – объём дисперсной фазы; m1 – масса дисперсной фазы. ДисперсностьD – это колич. мера раздробленности системы, представляющая собой величину, обратную размеру (диаметру) дисперсной частицы α:

• 
  Слайд 8
  
• 
  Слайд 9
  

  Чем меньше размеры частиц, тем больше дисперсность и удельная поверхность, и наоборот.

• 
  Слайд 10
  

  Sуд 10-7 10-5 10-3 α,см 1нм 100нм Рис.1. Зависимость Sудсистемы от размера и дисперсности её частиц. Sуд D,см-1

• 
  Слайд 11
  

  силы ММВ скомпенсированы Фаза 2 (жидкость или твёрдое тело) Фаза 1 (газ) силы ММВ не скомпенсированы внутреннее давление поверхностная энергия §1. Основы термодинамики поверхностных явлений. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение пов-стьраздела фаз поверхностное натяжение

• 
  Слайд 12
  

  Механический аналог сжатия поверхности под действием поверхностного натяжения. Фаза 1 (газ) Фаза 2 жидкость или твёрдое тело поверхностное натяжение внутреннее давление поверхностная энергия Рис. 3. Действие основных сил на границе раздела двух разных фаз

• 
  Слайд 13
  

  Поверхностнаяэнергияна границе: вода – пар, как равнодействующая сил ММВ направлена в сторону жидкости и стремится втянуть поверхностную молекулу внутрь жидкости и уменьшить поверхность до минимума (капля жидкости стремится к сфере: поверхность шара – минимум объёма). Внутреннее давлениетем выше, чем полярнее вещество. У воды оно = 14800 атм, а у менее полярного бензола - 3800 атм. (Поэтому жидкости под действием обычных давлений практически несжимаемы.) В физике – сила поверхностного натяжения (повер.натяжение),действующая тангенциально (касательно) пов-сти жидкости и на единицу длины контура границы раздела и обуславливающая сокращение поверхности жидкости. Применительно к границе двух конденсированных фаз (ех., жидкость – жидкость или твёрдое тело – жидкость) применяют термин «межфазноенатяжение», реже «пограничное натяжение».

• 
  Слайд 14
  

  Все самопроизвольные процессы подчиняются принципу минимума энергии(2-ой з-н ТД). Стремление к снижению поверхностной энергии сопровождается самопроизвольным ум-ниемпов-стираздела системы. Это означает, что самопроизвольное ув-ниепов-стираздела фаз невозможно и требует совершения работы против сил внутреннего давления. Эта работа W в обр. изотермических условиях при постоянстве состава пропорциональна площади образующейся новой поверхности s: –dW = σds где W – работа образования поверхности раздела, Дж; σ – уд. свободная пов-наяэнергия или пов-ноенатяжение, Дж/м2; s– площадь поверхности раздела, м2.

• 
  Слайд 15
  

  В ТД макс. работа W, взятая со знаком «минус», равна при p=constув-ниюэнергии Гиббса ∆G>0 (изобарный потенциал), а при V=constув-ниюэнергии Гельмгольца ∆F>0 (изохорный потенциал) и наз-сяв общем случае свободной энергией. При образовании новой поверхности – это свободная поверхностная энергия (отнесённая к единице поверхности – это удельнаясвободнаяповерхностнаяэнергия «σ»). 1Дж/м2 = 1000эрг/см2 = 1Н/м = 1000дин/см = 1000мДж/м2 –W = ΔF = ΔG = σs Количественно поверхностная энергия может быть получена из общего т.д. выражения для внутр. эн. системы U, например, в изохорных условиях при V=const: U = F + TS где U – внутренняя энергия, F – энергия Гельмгольца, T – температура, S – энтропия.

• 
  Слайд 16
  

  В изохорных условиях энтропия м.б. дана в виде: При замене S получим уравнение Гиббса – Гельмгольцадля поверхностной энергии: Внутр. эн. U при обратимом изохорно-изотерм. увеличении площади пов-сти на единицу, ех., для однокомпонентной жидкости, равна полной поверхностной энергии этой единичной поверхности, а увеличение энергии Гельмгольца F равно её поверхностному натяжению σ, т.е. σ = F. При замене получим уравнение Гиббса–Гельмгольца для процесса образования единичной поверхности:

• 
  Слайд 17
  

  Если обозначить полную поверхностную энергию через ε, то уравнение для поверхности примет вид: = свободная + связанная полнаявнутр. (уд.) поверхн. энергия поверхн. энергия TS = –Т(∂σ/∂Т)V > 0 эн. Гиббса или Гельмгольца или поверхн. натяжение Скрытая теплота обр-нияпов-сти равна кол-ву теплоты, к-рое необходимо сообщить телу, чтобы при пост. т-ре увеличить его поверхность на единицу. Поэтому всегда ε>σ. ех, для воды –∂σ∕∂Т ≈ 0,1541 эрг/см2∙град. Откуда для 1 см2 воды при 298К : ε = 72,0+298∙0,1541 = 118эрг.

• 
  Слайд 18
  

  Зависимость т.д. параметров поверхности от температуры. Из рис.4 видно, что с ростом температуры св. поверхн. энергия σуменьшается практически линейно, а скрытая теплота обр-нияпов-стиqs(ТS), наоборот, увеличивается. Ткр Т US σ SS qS US qS σ SS Рис. 4. Зав-сть т.д. параметров поверхности от т-ры Т. Ткр – критическая температура. В рез-те полная поверхностная энергия Us вдали от критической точки практически не зависит от температуры. Ssи –∂σ∕∂Т от температуры также не зависят. При приближении к критичес-кой т-ре Ткр плотности жидкости и пара сближаются, а при Ткр граница раздела фаз исчезает, и все энергетические характеристи-кипов-сти становятся равными нулю.

• 
  Слайд 19
  

  Эта схема даёт представление о двух видах поверхностных явлений: 1 – условно физические явления, связанные с изменением формы и величины поверхностей раздела (капиллярные явления, смачивание, трение, адгезия, слипание, слияние - коалесценция и др.). 2 – условно химическиеявления, в основе которых лежит адсорбционное изменение состава поверхностного слоя. § 2. Классификация поверхностных явлений Стремление любой, особенно высокодисперсной, системы к уменьшению запаса поверхностной энергии σs и пути её реализации можно представить в виде следующей схемы: σs 1 2 minmin min

• 
  Слайд 20
  

  Часто стремление к уменьшению поверхностной энергии сочетает оба вида явлений и усложняет их классификацию. Ю.Г.Фролов предложил классифицировать поверхностные явления на основе объединённого уравнения 1 и 2 начал ТД. Для любой гетерогенной системы его можно записать в виде: где G – энергия Гиббса, S – энтропия, Т – температура; V – объём;р – давление; σ - поверхностное натяжение; s– площадь пов-сти; μί–химический потенциал компонента ί; nί – число моль компонента ί; φ – электрический потенциал; q – кол-во электричества. dG = –SdT + Vdp + σds + ∑μίdnί + φdq (12) Это уравнение выражает приращение энергии Гиббса системы через алгебраическую сумму приращений других видов энергии. Стрелки указывают на пять возможных процессов превращения поверхностной энергии: 1) в энергию Гиббса; 2) в теплоту; 3) в механическую энергию; 4) в химическую энергию; 5) в электрическую энергию.

• 
  Слайд 21
  

  Каждому превращению ПЭ отвечают определённые поверхностные явления, демонстрируя более широкие возможности достижения минимума энергии. dG = –SdT + Vdp + σds + ∑μίdnί + φdq (12) адгезия и смачивание капиллярность адсорбция изменение реакционной способности с изменением дисперсности электрические явления

• 
  Слайд 22
  

  Дисперсные системы. Общие сведения Все хим. в-васуществуют в природе преимущественно в составе дисперных систем, т.е. многокомпонентных гетерофазныхсмесей разл. агрегат. сост-я, состоящих из сплошной, непрерывной фазы (дисперсионной среды), и прерывистой дисперсной фазы в виде частиц различного размера, формы и агрегатного состояния). Дисперсные системы в природе чрезвычайно распространены и многообразны. Например, земная атмосфера, природные воды, почва, грунты, различные изделия и материалы и др. относятся к Д.с. § 3. Классификация дисперсных систем. размер частиц дисперсной фазы, агрегатное состояние частиц д.ф. и д.с.; форма частиц дисперсной фазы, интенсивность межфазового взаимодействия, наличие структурообразования между частицами д.ф.

• 
  Слайд 23
  

  Sуд 10-7 10-5 10-3 α,см Молекулярно-дисперсные системы Высокодисперсные (коллоидные) системы Микрогетерогенные системы Грубодисперсные системы 1нм 100нм Рис.5. Зависимость Sудсистемы от размера её частиц. 1) Классификация дисперсных систем по размеру частиц дисперсной фазы В зависимости от степени дисперсности и особенностей поведения все дисперсные системы подразделяют на молекулярные, высокодисперсные и грубодисперсные.

• 
  Слайд 24
  

  Классификация дисперсных систем по размеру ч-ц д.ф. Таблица 2. Истинные р-ры – однородные смеси (гомогенные), в к-рыхч-цамидисп. фазы являются отдельные мол-лы, атомы или ионы с размером не более 10-9 м (1нм). Такие ч-цыне имеют фазовой границы или собственной пов-стираздела. Это качественное отличие. «Растворы». В высоко- и грубодисперсных системах ч-цыдисп. фазы имеют более крупные размеры (10 – 100 нм), чем отдельные атомы и обладают собственной фазовой пов-стью. Они гетерогенны. Высокодисперсныесистемы имеют качественные отличия и от р-ров и от грубодисперсных систем.

• 
  Слайд 25
  

  2) Классификация ДС по агрегатному состояниюд. ср. и д. фазы Агрегатное состояние обозначают буквами: Т – твёрдое (кристаллическое), Ж – жидкость, Г – газ. Дисперсионная среда – индекс 1, а дисперсная фаза – индекс 2. Таблица 3. * - В нормальных условиях гомогенны, гетерогенность возможна только при очень низких температурах или высоких давлениях. Т1/Ж2

• 
  Слайд 26
  

  3). Классификация ДС по форме ч-ц д.ф. Форма частиц дисперсной фазы (или топология) может быть разнообразной. Наиболее удобный способ классификации связан с делением на а) линейные частицы, вытянутые в одном измерении; б) плоские или пластинчатые, имеющие два измерения; в) объёмные, когда ч-цыимеют все три пространственные измерения примерно в равной степени.

• 
  Слайд 27
  

  Выделяют два типа систем: а) с интенсивным межфазовым взаимодействием (например, когда поверхность твёрдых частиц смачивается жидкой дисперсионной средой – лиофильность), и б) с его отсутствием (например, когда поверхность твёрдых частиц не смачивается жидкой дисперсионной средой – лиофобность). 4). Классификация Д.С. по интенсивности межфазового. вз-я Θ Θ а б

• 
  Слайд 28
  

  5). Классификация дисп. систем по структурообразованию(взаимодействию между частицами дисперсной фазы) свободно-дисперсные системы золь связно-дисперсные системы гель рыхлая неупорядоченная структура плотная упорядоченная структура (от лат. gelate - замерзать) нетекучая (раствор) Процесс структурообразования называют гелеобразованием (желатинированием, желатинизацией или студнеобразованием). текучая

• 
  Слайд 29
  

  Связнодисперсные системы могут представлять из себя и пористые тела, которые наряду с внешней поверхностью характеризуются размером пор, их объемом и внутренней поверхностью. По М.М. Дубинину все пористые тела можно разделить на три класса (в зависимости от адсорбционных свойств): микропористые тела с радиусом пор 2·10-9 м, мезопористые (2 – 50) ·10-9 м, макропористые 50·10-9 м. В последнее время выделяют также ультра- и супер- микропоры. Любая классификация весьма приближенно отражает весь спектр возможных размеров пор (от макропор через мезопоры и микропоры до субатомных «пор» в виде промежутков между макрокристаллами в полимерах или точечных дефектов в кристаллах). В этой связи следует отметить, что любая классификация не может полностью охватить все многообразие дисперсных систем, существующих в природе и технологической практике..

• 
  Слайд 30
  

  Периодическая гелевая структура Пористая структура пора и пора и дисп.ч-ца дисп.ч-ца

• 
  Слайд 31
  
• 
  Слайд 32
  
• 
  Слайд 33