Зимон А.Д. Коллоидная химия. Учебно-практическое пособие - файл n1.doc

приобрести
Зимон А.Д. Коллоидная химия. Учебно-практическое пособие
скачать (1755 kb.)
Доступные файлы (4):
n1.doc1576kb.23.10.2008 23:46скачать
n2.doc884kb.23.10.2008 23:46скачать
n3.doc1553kb.23.10.2008 23:46скачать
n4.doc2026kb.23.10.2008 23:46скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный университет

технологий и управления

(образован в 1953 году)



Кафедра органической, физической и коллоидной химии


Дистанционное

обучение

Хим.орг. – 5.22.2701.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2701.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2701.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2701.зчн.плн.

Хим.орг. – 5.22.2703.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2703.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2703.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2703.зчн.плн.

Хим.орг. – 5.22.2704.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2704.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2704.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2704.зчн.плн.

Хим.орг. – 5.22.2705.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2705.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2705.зчн.скр . Хим.орг. – 5.22.2705.зчн.плн.

Хим.орг. – 5.22.2707.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2707.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2707.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2707.зчн.плн.

Хим.орг. – 5.22.2708.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2708.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2708.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2708.зчн.плн.

Хим.орг. – 5.22.2710.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2710.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2710.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2710.зчн.плн.

Хим.орг. – 5.22.2712.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.2712.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.2712.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.2712.зчн.плн.

Хим.орг. – 5.22.0135.очн.плн. Хим.орг. – 5.22.0135.вчр.плн. Хим.орг. – 5.22.0135.зчн.скр. Хим.орг. – 5.22.0135.зчн.плн.

А.Д.ЗИМОН, А.М. ЕВТУШЕНКО,

И.Г. КРАШЕНИННИКОВА

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Раздел третий

Учебно-практическое пособие для студентов технологических

специальностей всех форм

обучения



www.msta.ru

4169

Москва - 2004




УДК: 541.18

© Зимон А.Д., , Евтушенко А.М., Крашенинникова И.Г. Учебно-практическое пособие. – М., МГУТУ, 2004.


Несмотря на общность, которая изложена в первых двух разделах и присуща всем дисперсным системам, каждая из дисперсных систем имеет свои особенности. Эти особенности определяются, во-первых, различным агрегатным состоянием дисперсной фазы и дисперсионной среды, во-вторых, размерами частиц дисперсной фазы. Специфические коллоидно-химические свойства характерны для высокомолекулярных соединений (ВМС), к числу которых относятся и белки, а так же для коллоидных ПАВ. Материал предыдущих разделов позволяет обобщить способы определения размера частиц, важнейшего количественного параметра дисперсных систем, и изложить характерные особенности различных типов этих систем.

Материал изложен с учетом особенностей многочисленных дисперсных систем, встречающихся в различных отраслях промышленного и сельскохозяйственного производства и в природных явлениях.

Пособие предназначено для студентов технологических специальностей 2, 3,4 курса всех форм обучения.

Авторы: Зимон Анатолий Давыдович, Евтушенко Анатолий Михайлович, Крашенинникова Ирина Геннадьевна.

Рецензенты: профессор, д.х.н. каф. «Синтез полимеров» МГАТХТ им. М.В. Ломоносова Прокопов Н.И.

Доцент, к.х.н. каф. «Органической и биологической химии» МГАВМиБ им. К.И. Скрябина Царькова М.С.




Редактор: Коновалова Л.Ф.




© Московский государственный университет технологий и управления, 2004


109004, Москва, Земляной вал, 73.

Содержание стр.

Кафедра органической, физической и коллоидной химии 2

УДК: 541.18 3

© Зимон А.Д., , Евтушенко А.М., Крашенинникова И.Г. Учебно-практическое пособие. – М., МГУТУ, 2004. 3

Пособие предназначено для студентов технологических специальностей 2, 3,4 курса всех форм обучения. 3

Авторы: Зимон Анатолий Давыдович, Евтушенко Анатолий Михайлович, Крашенинникова Ирина Геннадьевна. 3

Рецензенты: профессор, д.х.н. каф. «Синтез полимеров» МГАТХТ им. М.В. Ломоносова Прокопов Н.И. 3

Доцент, к.х.н. каф. «Органической и биологической химии» МГАВМиБ им. К.И. Скрябина Царькова М.С. 3

Редактор: Коновалова Л.Ф. 3

© Московский государственный университет технологий и управления, 2004 3

Г л а в а 13 Основы дисперсионного анализа 6

13.1. Распределение частиц полидисперсных систем по размерам 6

13.2. Размер частиц неправильной формы 8

13.3. Оптические методы дисперсионного анализа 9

13.4. Нефелометрия и турбидиметрия 11

13.5. Дисперсионный анализ суспензий 13

Г л а в а 14 15

Золи и суспензии 15

14.1. Особенности золей и суспензий 15

14.2. Пасты, гели и осадки как структурированные системы 17

Г л а в а 15 18

ЭМУЛЬСИИ 18

15.1. Свойства эмульсий 18

15.2. Устойчивость эмульсий 20

15.3. Получение и разрушение эмульсий 25

15.4. Применение эмульсий 26

Г л а в а 16 28

ПЕНЫ 28

16.1. Свойства и особенности пен 28

16.2. Устойчивость пен 31

16.3. Получение и применение пен 33

Г л а в а 17 35

АЭРОЗОЛИ 35

17.1. Классификация аэрозолей 35

17.2. Образование и свойства аэрозолей 36

17.3. Механика аэрозолей 40

17.5. Сыпучие материалы (порошки) 42

Г л а в а 18 43

СИСТЕМЫ С ТВЕРДОЙ ДИСПЕРСИОННОЙ СРЕДОЙ 43

18.1. Характеристика систем с твердой дисперсионной средой 44

18.2. Твердые пены 46

18.3. Капиллярно-пористые тела 47

Г л а в а 19 49

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (ВМС) 49

19.1. Коллоидная химия ВМС 49

19.2. Структура макромолекул ВМС 51

19.3. Свойства растворов ВМС 53

19.4. Набухание 57

19.5. Студни и студнеобразование 60

19.6. Свойства гелей и студней 62

Г л а в а 20 64

БЕЛКИ (ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТЫ) 64

20.1. Белки как полиэлектролиты 65

20.2. Белки как коллоидные растворы 67

Г л а в а 21 70

КОЛЛОИДНЫЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА 70

21.1. Особенности и классификация коллоидных ПАВ 70

21.2. Критическая концентрация мицеллообразования 72

21.3. Гидрофобные взаимодействия и моющее действие 75

ТЕСТЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПРОРАБОТКИ 78

Ответы на тестовые задания 81

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 81

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 83

Р а з д е л т р е т и й

ВИДЫ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Г л а в а 13 Основы дисперсионного анализа


Дисперсионный анализ проводится с целью определения размера, формы и концентрации частиц дисперсной фазы. Как уже отмечалось (см. рис. 1.2), размер частиц во многом определяет свойства дисперсных систем (например, рассеяние света и броуновское движение, см. гл. 8 и 9, устойчивость, см. гл. 10, и другие).

Большинство систем относятся к полидисперсным, а сами частицы дисперсной фазы характеризуются не только размерами, но и формой, отличной от сферической. после ознакомления со свойствами дисперсных систем появилась возможность приступить к рассмотрению особенностей дисперсионного анализа.

Современная наука располагает разнообразными методами, позволяющими осуществить дисперсионный анализ, к числу этих методов можно отнести: оптические под действием света, рентгеновского и лазерного излучения, седиментационный и другие.

13.1. Распределение частиц полидисперсных систем по размерам


Для монодисперсных систем (см. параграф 1.3) достаточно определить размер нескольких десятков частиц и убедиться в его идентичности. Для полидисперсных систем необходимо не только определить в данном интервале размер частиц, но и долю этих частиц, т.е. найти функцию распределения частиц по размерам.

Распределения частиц по размерам могут быть представлены в виде интегральных и дифференциальных кривых. Исходными сведениями для их построения являются эксперименты (об их особенностях речь пойдет ниже) по нахождению размера частиц в определенном интервале, именуемым фракцией, и доли этих частиц во фракциях. Если, например, известно, что размер частиц в полидисперсной системе определен как а1, а2, а3 и т.д., а число этих частиц соответственно равно N1, N2, N3 и т.д., то размер частиц во фракциях будет равен ?a1 = a2 a1, ?a2 = a3a2 и т.д.

Доля частиц в каждой из фракций равна q1 = ?N1/N, q2 = ?N2/N, например, ?N1 = N2N1; ?N2 = N3N2. N — общее число частниц; долю частиц можно выразить в процентах.

П
Рис. 13.1. Интегральная кривая распределение частиц по размерам
риведем пример, размер частиц муки 1-ого сорта колеблется от 1 до 50мкм; доля различных фракция составляет:1—6 мкм — 7% (q1), 7—12 мкм — 24% (q2) и т.д. ( обычно фракция характеризуется равным интервалом размера частиц). По этим данным строят интегральную кривую распределения частиц по размерам (рис. 13.1). На оси абсцисс этой кривой откладывают размер частиц, по оси ординат — суммируется доля частиц во фракциях. В точке 2 интегральной кривой эта доля равна q1 + q2, а в точке i единице или 100%.

На оси абсцисс дифференцальной кривой распределения частиц по размерам (рис. 13.2) так же откладывают размер частиц , а на оси ординат долю частиц, приходящуюся на диапазон размера частиц во фракции, т.е. ?q/?a или ?N/N?a, где, например, ?q2 = q2 q1.

На рис. 13.2 приведена гистограмма, поясняющая принцип построения дифференциальных кривых распределения частиц дисперсной фазы по размерам. На оси абсцисс отложены размеры частиц от минимального (амин) до максимального (амакс) с разбивкой на фракции, т.е. а1, а2, а3,..

Величина ?q/?a на оси ординат показывает долю частиц ?q данной фракции, отнесенной к диапазону размера частиц этой же фракции ?a. Для каждой фракции строят прямоугольники (пунктирные линии на рис.13.2, а), основание которых равно ?a, а высота — ?q/?a. Соединив середины верхних сторон прямоугольников получают дифференциальную кривую распределения частиц по размерам.

Минимальный амин и максимальный амакс размер частиц определяет диапазон размеров всех частиц. Для полидисперсных систем, характеризующихся кривыми 1 и 3 (см. рис. 13.2, б), верхний и нижний размер частиц одинаков. В одной системе (кривая 1) преобладают относительно мелкие частицы, а в другой (кривая 3) доля таких частиц меньше.

Координаты «?q/?a — а» позволяют использовать табулированный интеграл вероятности. Площадь под кривыми распределения частиц по размерам от амин до амакс равна единице. Заштрихованная часть под кривой (рис. 13.2, а) равна

доли частиц во фракции , размеры которых лежат в диапазоне ?a.

К
Рис. 13.2. Дифференциальные кривые распределения частиц дисперсной фазы по размерам: а — гистограмма, поясняющая построение этих кривых; б — виды распределения — асимметричное (1) и симметричные (2, 3)
ривые, характеризующие распределение частиц по размерам, могут быть симметричными (кривые 2 и 3 на рис. 13.2, б) и асимметричными (кривая 1). В случае симметричного распределения, которое называется нормальным распределением, можно определить медианный размер. Медианный размер (а) — это размер 50% всех частиц дисперсной фазы данной дисперсной системы. Например, для пшеничной муки высшего сорта медианный размер (диаметр) составляет 16 мкм, это означает, что 50% частиц имеет размеры меньше 16 мкм, а остальные 50% свыше 16 мкм.

Для полидисперсных систем, распределение по размерам которых характеризуется кривыми 2 и 3, медианный диаметр один и тот же, а диапазон размеров частиц, однако от амин до амакс существенно отличается. Этот диапазон определяется параметром, именуемым средним квадратическим отклонением, который равен:


(13.1)

где и аi — медианный и характерный для данной фракции размер частиц; Ni — число частиц во фракции.

Чем больше ?, тем значительнее диапазон размера частиц в полидисперсной системе. Для кривых 2 и 3 рис. 13.2 ?3> ?2. Величина, равная 1/??2?, определяет высоту дифференциальных кривых; для распределения, характеризирующегося кривой 2, она выше, чем кривой 3.

Распределeниe частиц по их размерам в дифференциальной форме позволяет получить параметры этого распределения (амин, амакс, а и ?), что более полно соответствует качеству дисперсионного анализа.

13.2. Размер частиц неправильной формы


Частицы дисперсной фазы могут иметь правильную форму. Сферическую форму образуют капли эмульсий, т.е. системы Ж/Ж, и пузырьки пены в момент ее образования (системы Г/Ж). Твердые частицы могут иметь форму, близкую к сферической (пшено, сахар, песок). Большинство же твердых частиц, в частности частицы бетона, которые образуют дисперсную фазу, имеют неправильную форму. Обычно размер частиц неправильной формы приводят к одному среднему размеру аср, который и характеризует дисперсность.

Средний размер одномерных систем (см. рис. 1.3, в) соответствует некоторой средней толщине мембраны или пленки. Для двухмерных систем он определяется на основе двух измерений (см. рис. 1.3, б) во взаимно перпендикулярных направлениях. Обычно берут среднее значение нескольких измерений.

С
Рис. 13.3. Определение размеров частиц неправильной формы
редний размер частиц может быть определен различными методами. Его можно представить, как среднее значение трех измерений (рис. 13.3):

(13.2)

Определить размеры (ширину, длину и высоту) всех частиц полидисперсной системы достаточно трудно. Поэтому для частиц неправильной формы наряду со средним используют эквивалентный размер аэ; в качестве последнего принимают диаметр или радиус такой сферической частицы, которая эквивалентна частице неправильной формы по какому-либо признаку: поверхности, объему, скорости оседания или др. При определении эквивалентного размера можно ограничиться измерением только двух размеров частиц (ах и ау).
Для частиц, проекция которых близка к кругу или квадрату (ах/ау = 1ч2), эквивалентный размер равен:

(13.3)

Для призматических частиц, когда ах >> ау, эквивалентный размер определяют по формуле:

(13.4)

Эквивалентный размер частиц можно определить на основе равновеликой массы частиц. При этом размер частицы неправильной формы должен соответствовать размеру сферической частицы, масса которой равна массе частиц неправильной формы, т.е.

(13.5)

Эквивалентные размеры частиц, полученные при помощи уравнений (13.3)—(13.5), не совпадают и связаны между собой следующим неравенством:



В качестве примера, используя уравнения (13.2)—(13.5), определим размер частиц как среднеарифметическое двух измерений аср и эквивалентный размер для частиц неправильной формы, имеющих ах = 60 мкм и ау = 20 мкм. В результате получим:



Размер частиц, мкм 40,0 34,6 30,5 29,0

Эквивалентный размер наряду со средним размером характеризует особенности частиц неправильной формы. Еще раз подчеркнем, что размер и форма частиц — важнейшие количественные характеристики дисперсных систем. Они определяют поверхность раздела фаз, качественные особенности и свойства дисперсных систем, в том числе их устойчивость, т.е. возможность существования самих систем.

13.3. Оптические методы дисперсионного анализа


К числу наиболее часто применяемых оптических методов анализа дисперсных систем относятся микроскопия (оптическая, ультра- и электронная), нефелометрия, турбидиметрия и двойное лучепреломление.

Дисперсионный анализ можно осуществить путем непосредственного измерения размеров частиц или капель (т.е. в отношении суспензий и эмульсий, а также аэрозолей) и подсчета их числа при помощи оптического микроскопа.

На предметное стекло наносят суспензию или эмульсию и помещают ее под объектив микроскопа В поле зрения микроскопа должно находиться 20—30 частиц или капель. В окуляр микроскопа помещают микрометрическую сетку (рис. 13.4), предварительно определив цену деления этой сетки. По числу делений шкалы микрометрической сетки оценивают размер частиц и подсчитывают число частиц или капель, размер которых соответствует определенной фракции (например, от а1 до а2, ?а = a2a1). У частиц неправильной формы измеряют обычно длину и ширину.

Наименьший размер частиц, измеряемый с помощью оптического микроскопа, определяется его разрешающей способностью ?. Применительно к дисперсной фазе разрешающая способность определяется размерами частиц, т.е. двумя точками, расположенными на противоположных концах частиц.

Она связана с длиной волны света (?) и равна

? = /2n Sin ?, (13.6)

г
Рис. 13.4. Поле зрения микроскопа с микроскопической сеткой
де n — показатель преломления; ? — угол, образованный крайними лучами, которые направлены от объектива на частицы.

Длина волны видимого света составляет 400—700 нм. Из формулы (13.6) следует, что разрешающая способность наилучших оптических микроскопов не превышает 0,2 мкм. Размеры частиц высокодисперсных систем (см. табл. 1.3) не могут, быть определены с помощью оптических микроскопов.

Более точные результаты дисперсионного анализа при помощи микроскопа получены для частиц диаметром более 2 мкм.

Для повышения точности дисперсионного анализа частицы дисперсной фазы фотографируют или проектируют в поле зрения микроскопа на экран телевизора, а также применяют ряд других методов автоматического счета числа и размеров частиц.

О
Рис. 13.5. Схема ультрамикроскопа: 1 — черный экран;
2 — световой поток;
3 — частица; 4 — рассеянный частицей свет; 5 — кювета;
6 — устройство для фиксации рассеянного света
птические методы анализа, основанные на законе Рэлея (см. параграф 8.1), позволяют определить концентрацию и размер частиц в диапазоне от 0,01 до 0,2 мкм. К этим методам относятся ультрамикроскопия.

С помощью ультрамикроскопа регистрируются не сами частицы, а рассеянный свет от этих частиц. На рис. 13.5 приведена упрощенная принципиальная схема ультрамикроскопа. Рассеяние света показано в отношении одной частицы 3, которая испытывает воздействие падающего света 2. Интенсивность рассеянного света максимальна в направлении, перпендикулярном падающему свету. На фоне черного экрана 1 эта интенсивность фиксируется устройством 6.

Число отблесков рассеянного света соответствует числу частиц n, если известна массовая концентрация частиц vм, то можно подсчитать их объем

V = vмVдс/n?, (13.7)

где Vдс — объем дисперсной системы; ? — плотность материала частиц.

Радиус сферической или эквивалентной ей частицы равен

r =(3V/4?)1/3. (13.8)

При помощи ультрамикроскопа можно определить средний сдвиг частиц х [см. формулы (9.2) и (9.3)], особенно в тех случаях, когда отблески частиц зафиксированы на фотопленку, а затем рассчитать размер частиц:

r = RT?/3??NA xС2, (13.9)

где ?— время наблюдения; ?— вязкость дисперсионной среды; R и NA –универсальная газовая постоянная и число Авогадро.

В поточном ультрамикроскопе Дерягина и Власенко поток частиц проходит через специальную кювету в направлении оси микроскопа. Подсчет частиц производят с помощью фотоумножителя; каждый отблеск выдает электрический импульс и фиксируется счетчиком, сила тока зависит от интенсивности отблесков, которая позволяет определить не только число, но и размер частиц. Если поток частиц пропустить через электрическое поле, под действием которого происходит ориентация несферических частиц (палочкообразных, пластинчатых и др.), то по интенсивности рассеянного света можно определить их форму и размер.

По сравнению с ультрамикроскопом более высокой разрешающей способностью обладает электронный микроскоп (вплоть до фиксации отдельных молекул). В электронном микроскопе вместо световых лучей используется пучок электронов. Увеличенное изображение проектируется на светящийся экран или фотографируется, что позволяет наблюдать не отблеск, а действительные частицы, их размер, форму, рельеф поверхности, особенности строения макромолекул ВМС и мицелл коллоидных ПАВ (см. гл. 19—21).

13.4. Нефелометрия и турбидиметрия


К числу наиболее распространенных и довольно простых методов определения размеров частиц относятся нефелометрия и турбидиметрия. Для уяснения принципа их действия еще раз обратимся к рис. 8.2 (см. параграф 8.2). При прохождении света интенсивностью Jo через дисперсную систему происходит рассеяние света интенсивностью Jp и поглощение света, равное (JоJnp). Нефелометрия основана на изменении интенсивности рассеянного света, а турбидиметрия — оптической плотности.

Нефелометрия позволяет определять размер частиц и их концентрацию. Метод основан на способности высокодисперсных частиц рассеивать свет согласно уравнению Рэлея (см. гл. 8), и на уравнивании интенсивности рассеянного света исследуемой дисперсной системы и эталонного образца (c известной концентрацией или размерами частиц).

Схема нефелометра приведена на рис. 13.6. Кювету 3 заполняют исследуемой системой, а кювету 2 — эталоном. При освещении источником света 1 высокодисперсные системы в этих кюветах рассеивают свет с различной интенсивностью.

Свет, рассеянный в направлении перпендикулярном падающему, с помощью призм 5 падает в окуляр 6. Затем уравнивают интенсивность рассеянного света от эталонной и исследуемой систем. Для этого изменяют объем систем за счет различного положения кювет 2 и 3 по отношению к неподвижным экранам 4. При этом интенсивность освещения правой и левой половинок окуляра 6 должны совпадать. В результате интенсивность рассеянного света эталоном (Jp)э будет равна интенсивности рассеянного света исследуемой системы (Jp)И, т.е.

(Jp)э = (Jp)И. (13.10)

Интенсивность рассеяния света будет пропорциональна высоте освещенной части кюветы Н. В случае нефелометрического определения размеров частиц золей с одинаковой концентрацией, согласно уравнению (8.3), можно записать

(13.11)

где rи и rэ — радиусы частиц исследуемой и эталонной систем соответственно.

Из уравнения (13.10) получим

(13.12)

Значения Нэ и Ни определяют на основе измерений; зная размер частиц эталонной системы, рассчитывают размер частиц исследуемой системы. Подобная методика применима к монодисперсным системам или близким к ним.

П
Рис. 13.6. Схема, поясняющая особенности дисперсионного анализа методом нефелометрии: 1— источник света; 2, 3 — кюветы с эталонной и исследуемой дисперсными системами; 4 — неподвижные
экраны; 5 — призмы;
6 — окуляр
ри помощи нефелометрии можно определить концентрацию частиц. В этом случае состав и размер частиц эталонной и исследуемой систем должны быть одинаковыми. Из уравнения (13.11) можно получить следующее соотношение [аналогично уравнению (13.12)]

vим = vэм (Нэ/Ни). (13.13)

Турбидиметрический метод дисперсионного анализа основан на изменении интенсивности света, прошедшего через дисперсную систему. В отличие от нефелометрии, когда проходящий свет направлен перпендикулярно образцам (рис. 13.6) и рассеивается, в турбидиметрии направление света параллельно образцам. Метод основан на определении оптической плотности эталонного и исследуемого образцов.

При прохождении света через дисперсную систему происходит его поглощение и рассеяние. В результате изменяется оптическая плотность (см. параграф 8.2). Согласно формулам (8.10)—(8.12). Оптическая плотность двух золей с одинаковым размером частиц, но различной массовой концентрации эталонной и испытуемой систем, прямо пропорциональна их концентрации

(13.14)

где vим и vэм массовая концентрация испытуемой и эталонной систем; Dм и Dэ — оптическая плотность этих систем.

При одной и той же массовой концентрации сравниваемых систем размеры частиц прямо пропорциональны их оптической плотности

(13.15)

где rи, rэ — радиус частиц испытуемой и эталонной систем.

Для дисперсных систем, размер частиц которых больше 0,1?, (т.е. не подчиняющихся уравнению Рэлея, см. параграф 8.1) и находится в диапазоне 0,1? < a < 0,33?, оптическая плотность определяется эмпирическим уравнением Геллера

(13.16)

где к — константа, не зависящая от длины волны; ? — длина волны света; n — показатель степени.

Показатель степени n зависит от параметра Z, который равен

(13.17)

где r — радиус частиц.

Зависимость между Z и n приведена в таблицах. Показатель n в уравнении (13.16) находят на основе турбидиметрических измерений.

Экспериментально определяют изменения оптической плотности для различных длин волн (в достаточно узком интервале ) и строят зависимость lgD от lg?, тангенс угла наклона полученной прямой и есть показатель n. По известному значению n с помощью таблиц определяют численное значение параметра Z, а затем по формуле (13.17) рассчитывают размеры частиц (r).

Для турбидиметрических измерений можно использовать фотоэлектро-колориметр (ФЭК), предназначенный для определения оптической плотности раствора. В ФЭКе происходит выравнивание двух световых потоков через кюветы с испытуемой и эталонной системами.

По величине оптической плотности методом сравнения исследуемой системы с эталонной и в соответствии с уравнениями (13.14) и (13.15) можно определить размер частиц или их концентрацию (соответственно при одинаковой концентрации или одних и тех же размеров частиц исследуемой и эталонной систем).

Итак, нефелометрия и турбидиметрия позволят определить размер частиц золя и их концентрацию — важнейшие параметры, составляющие суть дисперсионного анализа.

13.5. Дисперсионный анализ суспензий


Вернемся к особенностям оседания частиц суспензий, определяющих их седиментационную устойчивость (параграф 10.1, рис. 10.1 и 10.2). Напомним, что в процессе оседания частиц диаметром от 0,1 до 100 мкм c постоянной скоростью [см. формулы (10.7) и (10.8)] соблюдается равновесие между гравитационной силой Р и силой трения Fтp; оно позволяет определить размер частиц в зависимости от скорости оседания. Эта зависимость фиксируется формулой (10.9), которую воспроизведем еще раз

(13.18)

где ?, ?, ?о — вязкость среды, плотность частиц дисперсной фазы и дисперсной среды; они являются постоянными величинами.

Для осуществления дисперсионного анализа суспензий (иногда этот вид анализа называют седиментационным анализом суспензий) разработано несколько типов приборов. На рис. 13.7, a показана схема дисперсионного анализа в гравитационном поле. Частицы дисперсной фазы 1 в результате оседания накапливаются в чашке 2, где фиксируется вес осадка частиц Q. За время ? вес осадка достигает постоянного значения, и оседание прекращается. Опытным путем определяют кривую седиментации (см. рис. 13.7, в). Зная высоту Н (путь оседания частиц) и время оседания ?, находят скорость оседания v = H/?.


Рис. 13.7. Седиментационный анализ суспензий:

а — в гравитационном поле; б — в центробежном поле; в — кривая оседания; 1 — дисперсная система; 2 — осадок


Постоянные величины, входящие в формулу (13.18), можно

представить в виде параметра К, который равен .

Тогда формула (13.18) значительно упростится и примет вид

(13.19)

Из этой формулы следует, что размер осевших частиц обратно пропорционален времени оседания.

Уравнение (13.19) получено для частиц сферической формы. Размер частиц неправильной формы характеризуется эквивалентным диаметром, соответствующим диаметру частиц, оседающих с той же скоростью (см. параграф 13.2).

Метод седиментации применим только для агрегативно устойчивых суспензий, т.е. в условиях, исключающих агрегацию (коагуляцию) частиц. С этой целью используют достаточно разбавленные дисперсные системы (с концентрацией дисперсной фазы 0,5—1%), которые при необходимости могут быть стабилизированы с помощью поверхостноактивных веществ (ПАВ).

Исходные экспериментальные и расчетные данные для получения кривых распределения частиц по размерам (рис. 13.1 и 13.2) представлены в виде кривой седиментации (рис. 13.7, в). Сначала на кривой седиментации выбирают 7—8 точек (для простоты на рис. 13.7, в зафиксированы три точки — 1, 2 и n). К каждой из точек проводят касательную до пересечения с осью ординат. Отрезки ординаты, отсекаемые касательными определяют массу частиц во фракции. В точке 1 — это Q1, являющаяся массой самых крупных частиц. Мacca частиц между точками 1 и 2 равна Q2Q1, а суммарная масса всех частиц в точке 2 равна Q2. Масса всего седиментационного осадка равна Qп. Полученные сведения дают возможность определить относительное содержание каждой фракции, а именно

q = Qi/Qn (13.20)

где Qi и Qn — текущее и суммарное значение массы осевших частиц.

Относительное содержание (доли) каждой фракции соответствует ординате интегральной кривой распределения частиц по размерам (рис. 13.1). Используя формулу (13.19) определяют размер частиц, соответствующий определенному времени оседания, (предварительно рассчитывают постоянную величину к; кроме того, размер части можно найти при помощи специально разработанных номограмм, что значительно упрощает расчет), т.е. абсциссу интегральной кривой распределения частиц по размерам.

В результате можно получить интегральную кривую распределения частиц по размерам. Часто результаты дисперсионного анализа представляют сразу в виде дифференциальной кривой, минуя интегральную кривую распределения частиц по размерам. Для этой цели находят величину?q для каждого интервала размера частиц во фракциях (?qi = qi; ?q2 = q2 q1), а затем и ?q/?a, т.е. ординату дифференциальной кривой распределения частиц по размерам, а абсцисса этой кривой — это размер частиц а (рис. 13.2). Построением и анализом дифференциальной кривой завершается дисперсионный анализ суспензий.

Для ускорения оседания используют центрифугирование (рис. 13.7, б). Вместо гравитационного ускорения g на частицы действует центробежное ускорение j, которое в сотни и даже тысячи раз превышает гравитационное. В соответствии с формулой (13.18) это означает значительное снижение времени седиментации, а следовательно и ускорение дисперсионного анализа.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации