Как найти удельную поверхность частиц

4. Дисперсность. Удельная поверхность дисперсных систем, методы ее измерения

Основная характеристика дисперсных систем — размеры частиц, или дисперсность. Дисперсные системы делят на грубодисперсные (низкодисперсные) и тонкодисперсные (высокодисперсные), или коллоидные системы (коллоиды). В грубодисперсных системах частицы имеют размер от 10^–4 см и выше, в коллоидных — от 10^–4 до 10^–5 — 10^–7 см. Дисперсность определяется по трем измерениям тела, либо характеризуется величиной, обратной минимальному размеру и названной дисперсностью, либо через удельную площадь поверхности S_уд (отношение межфазной поверхности к объему тела). Количественной характеристикой дисперсности (раздробленности) вещества является степень дисперсности (степень раздробленности D) — величина, обратная размеру дисперсных частиц а: D = 1/a, где а равно диаметру сферических или волокнистых частиц, или длине ребра кубических частиц, или толщине пленок. Все частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры — монодисперсная система. Частицы дисперсной фазы неодинакового размера — полидисперсная система. Соотношение между поверхностью и объемом характеризует удельная поверхность:

S_уд = S / V.

Для частиц сферической формы она равна:

S_уд = 4 πr² / (4 / 3 πr) = 3 / r = 6 / d.

Для частиц кубической формы —

S_уд = 6l² / l³ = 6 / l,

где r — радиус шара; d — его диаметр; l — длина ребра куба.

Дисперсность D связана с удельной поверхностью S_уд:

S_уд = S / V = k / d = kD,

где V — объем дисперсной фазы, мл.

Для сферических частиц уравнение принимает вид:

k — коэффициент формы частиц; d — диаметр частицы, м².

Формула для расчета удельной поверхности (S_уд) системы с шарообразными частицами:

где n — число частиц, м³; S₀ — поверхность каждой частицы.

где n₁ — число частиц, кг; r — плотность вещества, г/см³.

Корреляционная спектроскопия рассеянного света: в определенном оптическом объеме V₀, подсчитывают число частиц n. Зная концентрацию частиц С и n, находят объем частицы : = С / (vd),

где d — плотность дисперсной фазы.

Зная объем, можно вычислить радиус частиц:

Зная радиус частиц, можно вычислить удельную поверхность S_уд.

Дисперсные системы
характеризуются степенью дисперсности
D, которая рассчитывается как D = 1/ r, где
r – выбранный размер частицы: диаметр,
если частица сферической формы, длина
ребра – если частица кубической формы.
Чем меньше степень дисперсности, тем
больше частиц можно получить из единицы
массы или объема дисперсной фазы, тем
больше будет суммарная площадь раздела
фаз.

S_уд.
–удельная поверхность, площадь раздела
фаз, приходящаяся на единицу массы или
объема дисперсной фазы. S_сум
— —
суммарная поверхность всех частиц в
дисперсной среде.

Рассмотрим
пример: Рассчитаем удельную и суммарную
площадь раздела частиц, которые получили
дроблением твердого вещества массой 1
на частицы кубической формы с длиной
ребра (l) 10^-4
см
и
10^-6
см. Плотность твердого вещества равна
5 г/см³.

1.Рассчитаем
объем одной частицы: V₁
= l³
= (10^-4
)³
=
10^-12
см³
; V₂
= l³
= (10^-6
)³
=
10^-18
см³

2.
Рассчитаем объем 1 г твердого вещества:
V_тв
=
1/ 5 = 0,2 см³.

3.Рассчитаем
поверхность одной частицы: S₁
= 6 l²
= 6 (10^-4)²
= 6 10^-8
см²;
S₂
= 6 l²
= 6 (10^-6)²
= 6 10^-12
см²

4.Рассчитаем
число частиц, полученное из 0,2 см³
твердого вещества:

N₁
= 0,2 / 10^-12

= 2 10¹¹.
N₂
= 0,2 / 10^-18

= 2 10¹⁷

5. Рассчитаем
сумарную поверхность всех частиц
дисперсной фазы:

Sсум₁
= 6 10^-8
см²
_*
2
10¹¹
= 12 10³
см²
= 1,2 м²;
Sсум₂
= 6 10^-12
см²
_*
2
10¹⁷
= 12 10⁵
см²
= 120 м².

6.
Рассчитаем удельную поверхность частиц:
Sуд.₁
= S / V = 6 10^-8
см²
/ 10^-12
= 6/ 10^-4

Sуд.₂
= S / V = 6 10^-12
см²
/ 10^-18
= 6/ 10^-4
см^-1.

Очевидно,
что для частиц кубической формы Sуд.₂

= 6/ l , где l – длина ребра.

8.6 Адсорбция

Частицы
дисперсной фазы характеризуются большой
удельной поверхностью, поэтому обладают
избыточной поверхностной энергией
(F_пов).
Эта энергия возникает из-за
нескомпенсированности молекулярных
сил сцепления поверхностного слоя
частиц. F_пов.
= σ S, где σ – удельная поверхностная
энергия, S – поверхность раздела фаз.
Уменьшение поверхностной энергии
дисперсных частиц происходит за счет
процесса адсорбции. Адсорбция
– самопроизвольный процесс поглощения
вещества из объема дисперсионной среды
поверхностным слоем частиц дисперсной
фазы. Адсорбент
– вещества, на поверхности которых
происходит адсорбция, тогда адсорбаты
– газы,
молекулы, ионы, которые
адсорбируются
(поглащаются) на
поверхности
адсорбента

Физическая адсорбция
– молекулы адсорбата удерживаются
поверхностью адсорбента слабыми силами
межмолекулярного притяжения. Процесс
равновесный и при постоянной температуре
устанавливается равновесие: адсорбция
↔ десорбция

Химосорбция —
химическое взаимодействие частиц
поглащаемого вещества с поверхностью
адсорбента. Процесс чаще всего необратимый.

8.6 Строение коллоидной частицы (золя)

Если
частицы дисперсной фазы распределены
в водных растворах электролитов, то на
их поверхности адсорбируются ионы,
преимущественно одного знака, В результате
адсорбции ионов на частице образуется
двойной электрический слой. Ионы
противоположного знака притягиваются
к поверхности электростатическими
силами. В результате такого взаимодействия
образуется мицелла золя. Мицелла—
комплекс, образованный твердой частицой
дисперсной фазы с окружающим его двойным
электрическим слоем. Рассмотрим строение
коллоидной частицы – мицеллы золя AgI.

Реакция
получения золя: AgNO₃
+ KI = AgI↓ + NaNO_3/

1-й случай. В растворе
избыток NaI.

{(AgI)_m
nI^—
(n-x)
K⁺
}^—
K⁺

2-й
случай. В растворе избыток AgNO₃.

{(AgI)_m
nAg⁺
(n-x) I^—
}⁺
I^—.

^ядро

^{гранула}

^{мицелла.}

ЗАДАЧИ

1. Составьте формулу
   мицеллы золя сульфата кадмия, который
   получили смешением 0,002М раствора хлорида
   калия и 0,002М раствора нитрата
   кадмия.Укажите, к какому электроду в
   электрическом поле будет двигаться
   гранула золя.

2. Золь сульфида
   никеля (2) получили смешением растворов
   хлорида никеля и сульфида натрия.
   Напишите формулу мицеллы золя, зная,
   что в электрическом поле гранула
   движется к катоду. Какое вещество взято
   в избытке?

3. Золь хлорида
   серебра получили смешением 0,0005М раствора
   хлорида натрия и 0,0004 М раствора нитрата
   серебра. Напишите формулу мицеллы золя,
   и укажите, к какому электроду в
   электрическом поле движется гранула
   золя.

4. Рассчитайте
   суммарную поверхность шаровидных
   частиц диаметров 0,00002 см, которые
   получили распылением 2 мл воды.

5. Рассчитайте
   суммарную поверхность кубических
   частиц с длиной ребра 0,00005 см, которые
   получили дроблением 5 г твердого
   вещества, плотность которого 10,5 г/см³
   распылением.

6. Рассчитайте,
   во сколько раз суммарная поверхность
   кубических частиц с длиной ребра
   0,00005 см отличается от суммарной
   поверхности шаровидных частиц, диаметр
   которых 0,00005 см. Частицы получили
   дроблением 5 г твердого вещества,
   плотность которого 8,5 г/см³.

7. Составьте формулу
   мицеллы золя, который получается при
   смешении растворов хлорида железа (3)
   и гидроксида натрия, если в электрическом
   поле гранула движется к катоду. Укажите,
   какое вещество взято в избытке.

32

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ в коллоидной химии

Коллоидная химия — это наука о физико-химических свойствах дисперсных систем и поверхностных явлениях. Вследствие исклю­чительно большой роли коллоидных систем и коллоидно-химичес­ких процессов в различных областях техники и человеческой дея­тельности и благодаря накоплению теоретического и практического материала, она выделилась в самостоятельную научную дисципли­ну. Объектами ее изучения являются гетерофазные системы, в ко­торых одна из фаз находится в высокодисперсном (раздробленном) состоянии.

Трудно назвать какую-либо сферу человеческой деятельнос­ти, в которой бы не использовались коллоидные системы или кол­лоидные процессы. Поверхностные явления (смачивание, адгезия, адсорбция, коагуляция, седиментация и др.) лежат в основе таких процессов химической технологии, как измельчение, гранулирова­ние, сушка, фильтрация, флотация, спекание, склеивание, краше­ние. К наиболее распространенным дисперсным системам относят дымы и туманы, эмульсии, пены, суспензии, порошки, ныли, гели. Дисперсными системами являются продукты питания, лекарства, биологоческие ткани. В мире каждый год производится сотни мил­лионов тонн дисперсных веществ и материалов. Знание закономер­ностей, присущих дисперсным системам, необходимо не только для оптимизации технологических процессов, но и при получении материалов с заданными свойствами, а также при решении задач охраны окружающей среды.

Определение размера частиц и удельной поверхности

Дисперсные системы всегда гетерогенные (гетерофазные). Они состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Объектам изучения коллоидной химии присущи два основных признака:

1. гетерогенность или многофазность (качественный признак).
2. дисперсность (количественный признак) определяется раз­мерами частиц в трех измерениях.

Основные характеристики, используемые для описания дисперс­ных систем:

1. Характеристический размер частиц — а; [м]. Для сферических частиц это диаметр сферы d, для кубичес­ких — ребро куба.
2. Дисперсность (раздробленность) D — это величина, обратная наименьшему размеру частиц.

3. Удельная поверхность Sуд. — это межфазная поверхность (S1,2,), приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы (V) или ее мас­сы (т).

Рассмотрим, как определяется удельная поверхность: если система состоит из п частиц, то

Коэффициенты формы для сферических, кубических частиц к = 6, для пленок к = 2, для волокон к = 4.

С увеличением дисперсности или уменьшением размера час­тиц возрастает удельная поверхность.

Методы получения дисперсных систем

Для получения дисперсных систем используют две группы ме­тодов: диспергационные и конденсационные (табл. 1.1).

Диспергирование — метод получения дисперсных систем пу­тем измельчения или дробления конденсированного тела.

Конденсация — метод получения дисперсных систем за счет объединения или агрегатирования молекул, или ионов вещества.

Дробление веществ до частиц малых размеров требует боль­шой затраты работы, так как поверхность раздела между фазами в таких системах весьма велика. Однако с помощью механических методов диспергирования даже в присутствии стабилизаторов прак­тически невозможно получение частиц с размерами менее 100 нм. В случае диспергирования одной жидкости в другой (несмешивающейся с первой) процесс называется эмульгирование.м. И в этом случае требуется почти обязательное присутствие в системе ве­ществ — эмульгаторов, стабилизирующих ее дисперсный состав (поверхностно-активных веществ, полимеров, порошков). Таким образом, обычно получают частицы радиусом не меньше 500 нм.

Более высокая дисперсность системы может быть достигнута при использовании мегодов, основанных на агрегации атомов и мо­лекул, т. е. методов конденсации. Именно эти методы чаще всего используются для получения истинно-коллоидных растворов.

Образование дисперсных систем при использовании конден­сационных методов происходит в результате либо гетерогенного зарождения, когда возникновение новой фазы осуществляется на уже имеющихся поверхностях (стенках сосуда, частицах посто­ронних веществ — ядрах конденсации), либо на поверхностях заро­дышей, возникающих самопроизвольно в гомогенной среде.

Зародыши в этом случае могут возникать лишь при определен­ном критическом пересыщении раствора.

Степень пересыщения

Самопроизвольное возникновение ядер конденсации зави­сит от многих причин: химических свойств реагирующих веществ, от характера ассоциации атомов и молекул, вязкости среды, темпе­ратуры и др.

Процесс образования дисперсной фазы при конденсации име­ет две основные стадии:

• возникновение центров конденсации;
• рост зародышей.

Дисперсность получаемых коллоидных систем зависит от соот­ношения скорости образования зародышей (υ1) и скорости их рос­та (υ2). При малой скорости образования зародышей (υ1 < υ2), в сис­теме образуется небольшое число достаточно крупных частиц. Если же скорость возникновения зародышей велика, а скорость их роста мала (υ1 > υ2) в системе, наоборот, возникает большое число мел­ких частиц. В этом случае образуются высокодисперсные золи, размер частиц в которых позволяет отнести их к коллоидным растворам.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1.1.

Методом механического диспергирования 5 г толуола в 1 л воды получена дисперсная система с частицами толуола шарообразной формы с радиусом 2,5 -10 ⁷ м. Плотность толуола равна 0,867 г/см³.

Решение:

Определяем дисперсность системы D и удельную поверх­ность S уд

Рассчитываем общую поверхность частиц S и число частиц N в дисперсной системе.

Пример 1.2.

Дисперсность частиц коллоидного золота равна 10⁸ м^-1. При­нимая частицы золота в виде кубиков, определите, какую поверх­ность S _обш они могут покрыть, если их плотно уложить в один слой. Масса коллоидных частиц золота 1 г. Плотность золота равна 19,6 • 10³ кг/м³.

Решение:

Пример 1.3.

Коллоидные частицы золота имеют дисперсность D = 108 м^-1. Какой длины (L) будет нить, если 1 г кубиков золота расположить друг за другом. Плотность золота составляет 19,6 • 10³ кг/м³.