К структурно-механическим свойствам относят вязкость, упругость, пластичность, прочность. Структурно-механические свойства исследует наука реология .
В разбавленных золях при больших расстояниях между коллоидными частицами взаимодействием между ними можно пренебречь. Такие системы называют свободнодисперсными (бесструктурными).
При увеличении концентрации дисперсной фазы между частицами возникают контакты, при этом за счет ванн-дер-ваальсовых сил образуются структуры. К структуированным коллоидным системам относятся обладающие малой прочностью гели, в которых частицы дисперсной фазы разделены прослойками среды. При определенных условиях гели могут превращаться в золи и, наоборот, при длительном хранении гидрофильные золи переходят в особое «студнеобразное» коллоидное состояние. В таком виде их называют гелями. Структура геля такова, что мицеллы не разрушаются, а просто связываются друг с другом, образуя своеобразные ячейки, внутри которых сохраняется среда, например, вода. Гель можно высушить, превратив его в твердый коллоид. Примером гидрофильного золя может служить золь желатина. При набухании твердого желатина в воде образуется гель. При нагревании геля («студня») образуется золь. Все процессы обратимы:
Золь D Гель D Твердый коллоид
Заключение
Коллоидные растворы имеют большое значение в нашей жизни и находят очень широкое применение в технике, медицине и сельском хозяйстве. В коллоидном состоянии находятся многие составные части живых организмов: кровь, лимфа, внутриклеточная жидкость. Почва, природные воды, лекарственные вещества, пищевые продукты, парфюмерные товары, средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями и сорняками находятся в коллоидном состоянии. Исключительная важность этих систем для жизни человечества определяет необходимость их изучения.
Контрольные вопросы
1. Опишите растворы как гомогенные системы.
2. Дайте определения способам выражения состава растворов (массовая доля, молярная и молярная концентрация эквивалентов).
3. Охарактеризуйте свойства разбавленных молекулярных растворов (понижение давления пара растворителя, повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания, осмотическое давление).
4. Охарактеризуйте растворы электролитов, их отличия от молекулярных растворов.
5. Приведите основные положения теории электролитической диссоциации С. Аррениуса и сольватной теории Д.И. Менделеева.
6. Дайте определение степени диссоциации электролитов. Как подразделяют электролиты по степени диссоциации? Приведите примеры ступенчатой диссоциации многоосновных кислот и многокислотных оснований.
7. Охарактеризуйте диссоциацию слабых электролитов как обратимый процесс. Приведите вывод уравнения закона разбавления Оствальда.
8. Объясните, почему константа диссоциации сильных электролитов изменяется с изменением концентрации.
9. Чем определяется направленность реакций в растворах электролитов? Приведите формулировку правила Бертолле.
10. Охарактеризуйте воду как слабый электролит константой диссоциации. Что такое водородный показатель? Как он характеризует кислотность раствора?
11. Дайте определение произведению растворимости (ПР), как показателю, характеризующему равновесие между осадком малорастворимого вещества и насыщенным раствором.
12. Что такое дисперсная система, дисперсная фаза и дисперсионная среда? Приведите классификацию дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз. Приведите примеры дисперсных систем.
13. Дайте определение и приведите примеры лиофобных и лиофильных дисперсных систем.
14. На примере рассмотрения границы раздела фаз жидкость – газ объясните, что такое свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение.
15. Опишите поверхностные явления – адсорбцию и десорбцию. Дайте определения понятиям – адсорбент, адсорбат, адсорбтив.
16. Опишите строение коллоидной частицы на примере AgCl, полученной при избытке AgNO 3 .
17. Объясните механизм возникновения и строение двойного электрического слоя на поверхности коллоидных частиц.
18. Опишите методы получения коллоидных растворов.
19. Объясните что такое коагуляция и седиментация коллоидных растворов, как их вызвать и как предотвратить.
20. Опишите оптические и кинетические свойства коллоидных растворов.
Примеры выполнения заданий
Пример 1а. Определите массу кристаллогидрата CuSO 4 ×5H 2 O, необходимого для приготовления 50 г 10%-ного раствора сульфата меди. Какой объем воды необходим для приготовления этого раствора?
Найдем массу кристаллогидрата, содержащего 5 г безводной соли:
1 моль CuSO 4 ×5H 2 O содержит 1 моль CuSO 4 ,
v (CuSO 4 ×5H 2 O) = v (CuSO 4) = 0,031 моль.
M (CuSO 4 ×5H 2 O) = 160 + 5×18 = 250 г/моль,
m (CuSO 4 ×5H 2 O) = 250×0,031 = 7,8 г.
Найдем объем воды, необходимый для приготовления раствора:
m (H 2 O) = m р - ра – m в - ва,
m (H 2 O) = 50 – 7,8 = 42,2 г
, r(Н 2 О) = 1 г/мл,
Ответ: m (CuSO 4 5H 2 O) = 7,8 г;
V (H 2 O) = 42,2 мл.
Пример 1б. Приведите расчет для приготовления 200 мл 0,3 н. раствора сульфата никеля из имеющегося в лаборатории NiSO 4 ×7H 2 O и воды.
Найдем массу соли NiSO 4 ×7H 2 O. Так как 1 моль кристаллогидрата содержит 1 моль безводной соли, то при приготовлении растворов заданной нормальной или молярной концентрации, расчет ведут по молярной массе кристаллогидрата.
m в-ва = C н ×M ×f×V р-ра,
М = 59 + 32 + 64 + 18×7 = 281 г/моль, f = 1/2,
m в-ва = 0,3 × 281 × 0,5 × 0,2 = 8,43 г.
Растворы молярной и нормальной концентрации готовят в мерных колбах заданного объема, поэтому объем добавляемой воды не рассчитывают.
Ответ: m (NiSO 4 ×7H 2 O) = 8,43 г.
Пример 1в. Какой объем 15%-ного раствора карбоната натрия (r = 1,10 г/мл) необходим для приготовления 120 мл 0,45 М раствора?
Найдем, в какой массе 15%-ного раствора содержится 5,72 г карбоната натрия:
,
Ответ: V 15%р-ра = 34,67 мл.
Пример 1г. Какая масса соли необходима для приготовления 200 мл раствора с молярной концентрацией эквивалента 0,3.
Ответ: m (AlCl 3) = 26,7 г.
Пример 2 . Составьте выражения констант диссоциации для угольной и сернистой кислот. Пользуясь таблицей 7, определите, какая из них является более слабым электролитом. Рассчитайте степень диссоциации сернистой кислоты в 0,001 М растворе.
H 2 CO 3 D H + + HCO 3 – 
HCO 3 – D H + + CO 3 2– 
K общ = K 1 ×K 2 = 4,5×10 –7 ×4,7×10 –11 = 2,1×10 –17
H 2 SO 3 D H + + HSO 3 – 
HSO 3 – D H + + SO 3 2– 
K общ = K 1 ×K 2 = 1×10 –9
Из сравнения значений констант диссоциации угольной и сернистой кислот видно, что угольная кислота более слабая (K (H 2 CO 3) < K (H 2 SO 3)).
Пример 3 . Составьте выражения ПР гидроксидов магния и железа(II), пользуясь таблицей 6, сравните их растворимость.
В насыщенных водных растворах труднорастворимых веществ устанавливаются гетерогенные равновесия между осадком и ионами электролита в растворе:
Mg(OH) 2(к) D Mg 2+ + 2OH – ПР(Mg(OH) 2) = 2 = 2,3×10 –13
Fe(OH) 2(к) D Fe 2+ + 2OH – ПР(Fe(OH) 2)= 2 = 7,9×10 –16
ПР(Mg(OH) 2) > ПР(Fe(OH) 2) .
Растворимость гидроксида магния больше растворимости гидроксида железа (II).
Пример 4 . Произведение растворимости AgIO 3 равно 3,2×10 –8 при 25°C. Рассчитайте молярную концентрацию AgIO 3 в его насыщенном при данной температуре растворе.
Ответ: С М = 1,79×10 –4 моль/л.
Пример 5 . Рассчитайте концентрацию ОН – -ионов, а также рН и рОН раствора, укажите реакцию среды, если = 8,32×10 –4 моль/л.
рОН = –lg;
pOH = –lg1,2×10 –11 = –(lg1,2 + lg10 –11) = –(0,08 – 11) = 10,92
Проверка: рН + рОН = 14; 3,08 + 10,92 = 14
Ответ: = 1,2×10 –11 моль/л; рОН = 10,92; рН = 3,08; среда кислая.
Пример 6 . Какие из указанных солей подвергаются гидролизу: нитрат лития, сульфат хрома (III), ортофосфат натрия, сульфид хрома (III)? Приведите ионные и молекулярные уравнения гидролиза, укажите реакцию среды и условия смещения равновесия.
Гидролизу подвергаются те растворимые соли, которые образованы слабым основанием (гидролиз по катиону) или слабой кислотой (гидролиз по аниону), т.к. лишь взаимодействие их ионов приводит к образованию слабого электролита (связыванию ионов) и смещению ионного равновесия диссоциации воды.
Алгоритм составления уравнений обратимого гидролиза :
1. Составьте краткое ионное уравнение взаимодействия одного иона слабого электролита с одной молекулой воды. Укажите рН раствора соли (> или < 7), а также влияние подкисления или подщелачивания среды на смещение равновесия гидролиза (в соответствии с принципом Ле-Шателье).
2. Составьте полное ионное уравнение, приписав к левой и правой частям уравнения формулы ионов сильного электролита, не участвующих в гидролизе.
3. Составьте молекулярное уравнение гидролиза соли по первой ступени, при необходимости расставьте коэффициенты.
4. Если гидролиз идет по трехзарядному иону, составьте уравнения гидролиза по второй ступени, повторив действия 1-3 и приняв за исходную соль продукт первой ступени. Учтите, что число стадий гидролиза по многозарядному иону, реально протекающих при обычных условиях, как правило, на одну меньше, чем заряд иона, т.к. каждая последующая стадия привела бы к образованию более сильного электролита.
Решение.
LiNO 3 – соль образована сильным основанием (LiOH) и сильной кислотой (HNO 3), гидролизу не подвергается, т.к. ионы Li + и NO 3 – не образуют с водой слабых электролитов, рН = 7.
Cr 2 (SO 4) 3 – соль образована слабым основанием (Cr(OH) 3), и сильной кислотой (H 2 SO 4), гидролиз по катиону.
I ступень Cr 3+ + HOH D CrOH 2+ + H + pH < 7
Cr 3+ + SO 4 2- + HOH D 2+ + H + + SO 4 2–
Cr 2 (SO 4) 3 + 2HOH D 2SO 4 + H 2 SO 4
II ступень 2+ + HOH D + + H +
2+ + SO 4 2– + HOH D + + H + + SO 4 2–
2SO 4 + 2HOH D 2 SO 4 + H 2 SO 4
По третьей ступени гидролиз практически не идет, т.к. это привело бы к образованию более сильного электролита Cr(OH) 3 , чем Cr(OH) 2 + .
Усилить гидролиз можно связыванием протонов в воду, т.е. добавлением щелочи, а также нагреванием и разбавлением раствора. К смещению равновесия гидролиза влево приведет добавление кислоты.
Na 3 PO 4 – соль образована сильным основанием (NaOH) и кислотой средней силы (H 3 PO 4), гидроанионы которой являются слабыми электролитами (гидролиз по аниону).
I ступень PO 4 3– + HOH D HPO 4 2– + OH – pH > 7
PO 4 3– + Na + + HOH D HPO 4 2– + Na + + OH –
Na 3 PO 4 + HOH D Na 2 HPO 4 + NaOH
II ступень HPO 4 2– + HOH D H 2 PO 4 – + OH –
Na + + HPO 4 2– + HOH D H 2 PO 4 – + Na + + OH –
NaHPO 4 + HOH D NaH 2 PO 4 + NaOH
Усиление гидролиза возможно при добавлении кислоты, нагревании, разбавлении. Подщелачивание среды приведет к смещению равновесия влево.
По третьей ступени гидролиз при обычных условиях практически не идет, т.к. H 3 PO 4 более сильный электролит, чем H 2 PO 4 – .
Cr 2 S 3 – соль образована слабым многокислотным нерастворимым основанием Cr(OH) 3 и слабой многоосновной летучей кислотой – H 2 S. Такие соли подвергаются полному необратимому гидролизу. При этом сразу образуются конечные продукты гидролиза – осадок слабого основания и летучая кислота.
Cr 2 S 3 + 6H 2 O = 2Cr(OH) 3 ¯ + 3H 2 S pH » 7.
Пример7а. Определить давление пара раствора при 40°С, содержащего 3,6 г глюкозы в 250 г воды. Давление пара воды при той же температуре равно 55,32 мм рт. ст.
Ответ: р 1 = 55,24 мм рт. ст.
Пример 7б. Определить температуру замерзания раствора, содержащего 0,8132 г нафталина в 25,46 г бензола. Температура замерзания бензола 5,5°С, а криоскопическая постоянная его 5,12.
Пример7в. Определить массовую долю мочевины в водном растворе, если его температура кипения 100,174°С. Эбуллиоскопическая постоянная воды 0,512.
Задания для самостоятельного решения
Задание 1. Решите расчетную задачу.
1. Сколько г Na 2 CO 3 содержится в 500 мл 0,25 н раствора?
2. Какая масса KCl потребуется для приготовления 250 мл 0,15 М раствора?
3. Найдите массу NaNO 3 , необходимую для приготовления 150 мл 2 М раствора.
4. В каком объеме 0,1 н CuSO 4 содержится 8 г безводной соли?
5. В каком объеме 0,3 М раствора NaCl содержится 2 г соли?
6. Определите молярную концентрацию раствора, содержащего 11,2 г КОН в 200 мл раствора.
7. Сколько г Na 2 CO 3 содержится в 500 мл 0,25 н раствора?
8. Определите молярную концентрацию раствора Na 2 SO 4 , содержащего 42 г соли в 300 мл раствора.
9. Вычислите молярную концентрацию Ва(ОН) 2 в растворе, если в 2 л его содержится 2 г щелочи.
10. Сколько г NaBr потребуется для приготовления 700 мл 0,15 н раствора соли?
11. Какая масса KCl потребуется для приготовления 250 мл 1,15 М раствора соли?
12. Найдите массу NaOH, необходимую для приготовления 2 л 0,3 н раствора.
13. В каком объеме 2 М раствора NaCl содержится 5 г соли?
14. Какова концентрация раствора, содержащего 9 г CaCl 2 в 500 мл раствора?
15.В каком объеме 0,1 н раствора CuCl 2 содержится 5 г соли?
Задание 2 . Составьте уравнения диссоциации соединений, формулы которых приведены ниже. В тех случаях, где это необходимо, приведите уравнения ступенчатой диссоциации. Составьте выражения констант диссоциации предложенных кислот. Какая из двух является более слабой? Рассчитайте степень диссоциации одной из кислот в 0,01 М растворе.
Задание 3 . Составьте выражения ПР указанных веществ, сравните их растворимость. Рассчитайте концентрацию катионов и анионов в насыщенном растворе одного из этих веществ.
| Вариант | ||||||||
| Вещества | AgBr AgCl | Mg(OH) 2 MgS | CaSO 4 BaSO 4 | AgI AgCl | FeS CuS | SrSO 4 BaSO 4 | CdS CuS | AgBr AgI |
| Вариант | ||||||||
| Вещества | CaCO 3 CaSO 4 | HgS CuS | FeS Fe(OH) 2 | CuI AgI | CuCl CuI | Cu(OH) 2 CuS | Zn(OH) 2 ZnS |
Задание 4 . Рассчитайте концентрацию ионов ОН - , а также рН раствора, укажите реакцию среды, если концентрация ионов Н + составляет:
| Варинт | , моль/л | Вариант | , моль/л | Вариант | , моль/л |
| 3,82×10 –12 | 9,12×10 –5 | 7,55×10 –7 | |||
| 2,85×10 –2 | 6,38×10 –10 | 4,52×10 –4 | |||
| 2,88×10 –6 | 8,85×10 –11 | 3,33×10 –3 | |||
| 5,28×10 –13 | 8,32×10 –6 | 1,86×10 –11 | |||
| 7,56×10 –1 | 6,25×10 –9 | 8,84×10 –12 |
Задание 5 . Приведите молекулярные и ионные уравнения тех реакций, которые возможны в растворе, объясните их направленность.
| Вариант | Схемы реакций | Вариант | Схемы реакций |
| Cu(OH) 2 + Na 2 SO 4 ® Na 2 SO 4 + BaCl 2 ® Fe(OH) 3 + H 2 SO 4 ® Al(OH) 3 + NaOH ® Pb(NO 3) 2 + H 2 S ® | NaOH + CaCO 3 ® CaSO 4 + SrCl 2 ® 2 SO 4 + HCl ® Cu(NO 3) 2 + H 2 S ® CuCl 2 + AgNO 3 ® | ||
| H 2 CO 3 + Ca(NO 3) 2 ® NaCl + LiNO 3 ® Cr(OH) 3 + KOH ® Na 2 CO 3 + HCl ® Ca(HCO 3) 2 + Ca(OH) 2 ® | KCl + H 2 SO 4 ® 2 SO 4 + HCl ® Pb(NO 3) 2 + Cu(OH) 2 ® Na 2 CO 3 + Ca(NO 3) 2 ® NH 4 NO 3 + NaOH ® | ||
| CaCO 3 + LiCl ® K 2 S + HCl ® Mg(OH) 2 + Na 2 SO 4 ® 2 SO 4 + H 2 SO 4 ® Pb(OH) 2 + HNO 3 ® | Pb(OH) 2 + KOH ® H 2 S + FeCl 2 ® ZnSO 4 + Cu(OH) 2 ® NaH 2 PO 4 + NaOH ® CaCl 2 + Na 2 CO 3 ® | ||
| Cu(NO 3) 2 + BaSO 4 ® Ba(OH) 2 + H 2 SO 4 ® CuSO 4 + KCl ® Be(OH) 2 + KOH ® Ba(HCO 3) 2 + NaOH ® | HNO 3 + K 2 SO 4 ® Al(OH) 3 + KOH ® KOH + Na 2 SO 4 ® CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ® BaS + CuSO 4 ® | ||
| Be(OH) 2 + KOH ® FeOHCl 2 + HCl ® Na 2 SO 4 + K 2 CO 3 ® NaNO 3 + Zn(OH) 2 ® CaCl 2 + H 2 SO 4 ® | Na 2 SiO 3 + HCl ® Cr(OH) 3 + HNO 3 ® CuCl 2 + KNO 3 ® CrOHSO 4 + H 2 SO 4 ® AgNO 3 + CuCl 2 ® | ||
| Ba(NO 3) 2 + Na 2 SO 4 ® CuOHCl + NaOH ® KNO 3 + Na 2 CO 3 ® Al(OH) 3 + KCl ® Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 ® | CaS + HCl ® CoCl 2 + KOH ® Pb(NO 3) 2 + KCl ® Be(OH) 2 + Ba(OH) 2 ® NaNO 3 + H 2 SO 4 ® | ||
| BaCl 2 + H 2 SO 4 ® Na 3 PO 4 + H 2 S ® NaOH + AlCl 3 ® PbOHNO 3 + HNO 3 ® Na 2 S + KCl ® | K 2 SO 4 + H 2 SO 3 ® BaS + CuSO 4 ® Al(OH) 3 + NaCl ® SrSO 4 + CaCl 2 ® Cr(OH) 3 + NaOH ® | ||
| Be(OH) 2 + KOH ® AgNO 3 + CaCl 2 ® HNO 3 + CaS ® KBr + Zn(OH) 2 ® NaHSO 4 + NaOH ® |
Задание 6 . Составьте молекулярные уравнения реакций, соответствующие следующим кратким ионным.
| Вар. | Краткое ионное уравнение | Вар. | Краткое ионное уравнение |
| H 2 PO 4 – + OH - = HPO 4 2– + H 2 O Pb 2+ + SO 4 2– = PbSO 4 ¯ + + 2H + = Cr 3+ + 2H 2 O | 3Ag + + PO 4 3– = Ag 3 PO 4 ¯ HCO 3 – + OH - = CO 3 2– + H 2 O BaCO 3 + 2H + = Ba 2+ + CO 2 + H 2 O | ||
| + + 2H + = Fe 3+ + 2H 2 O H 2 S + 2Ag + = Ag 2 S¯ + 2H + CO 3 2– + 2H + = CO 2 + H 2 O | HAsO 4 2– + OH - = AsO 4 3– + H 2 O 2+ + H + = Al 3+ + H 2 O 2H + + S 2– = H 2 S | ||
| HCO 3 – + H + = H 2 O + CO 2 Ni(OH) 2 + 2H + = Ni 2+ + 2H 2 O CO 3 2– + Ca 2+ = CaCO 3 ¯ | FeOH 2+ + 2OH - = Fe(OH) 3 ¯ MgCO 3 + 2H + = Mg 2+ + CO 2 + H 2 O Cu 2+ + S 2 – = CuS¯ | ||
| SO 3 2– + 2H + = SO 2 + H 2 O + + H + = Cu 2+ + H 2 O 3Ca 2+ + 2PO 4 3 – = Ca 3 (PO 4) 2 ¯ | H 2 S + Pb 2+ = PbS¯ + 2H + BaSO 3 + 2H + = Ba 2+ + SO 2 + H 2 O + + OH – = Fe(OH) 3 ¯ | ||
| H 2 PO 4 – + 2OH – = PO 4 3– + 2H 2 O Pb 2+ + 2I – = PbI 2 ¯ CaCO 3 + 2H + = Ca 2+ + CO 2 + H 2 O | Pb 2+ + 2Br – =PbBr 2 ¯ HS - + OH – = S 2– + H 2 O BaSeO 3 + 2H + = Ba 2+ + SeO 2 + H 2 O | ||
| HSO 3 – + OH - = SO 3 2– + H 2 O Ag + + I – = AgI¯ Co(OH) 2 + 2H + = Co 2+ + 2H 2 O | + + OH – = Fe(OH) 2 ¯ Sr 2+ + SO 4 2+ = SrSO 4 ¯ SO 3 2– + 2H + = H 2 O + SO 2 | ||
| 3Ba 2+ + 2PO 4 3- = Ba 3 (PO 4) 2 ¯ HSe – + H + = H 2 Se Ag + + Br – = AgBr¯ | + + H + = Cu 2+ + H 2 O H 2 S + 2Ag + = Ag 2 S¯ + 2H + H 2 AsO 4 – + 2OH – = 2H 2 O + AsO 4 3– | ||
| Hg 2+ + S 2– = HgS¯, + + 2H + = Al 3+ + 2H 2 O, H + + OH – = H 2 O |
Задание 7 . Рассчитайте концентрацию ионов Н + и ОН - в растворе, рН которого равен:
| Вариант | ||||||||
| рН | 4,3 | 10,8 | 2,6 | 12,5 | 8,3 | 11,6 | 1,8 | 6,7 |
| Вариант | ||||||||
| рН | 9,4 | 3,8 | 9,3 | 2,3 | 13,2 | 5,6 | 1,1 |
Задание 8 . Какие, из указанных солей подвергаются гидролизу? Приведите молекулярные и ионные уравнения гидролиза, укажите реакцию среды и условия смещения равновесия гидролиза.
| Вариант | Названия солей |
| Фосфат калия, сульфат меди (II), хлорид рубидия, сульфид алюминия | |
| Ацетат аммония, нитрат хрома (III), карбонат лития, сульфат цезия | |
| Нитрат натрия, сульфид бария, хлорид железа (III), сульфид железа (III) | |
| Хлорид бария, сульфид натрия, сульфат меди (II), карбонат хрома (III) | |
| Сульфит калия, нитрат кобальта (II), нитрат калия, сульфид хрома (III) | |
| Иодид лития, сульфит натрия, нитрат алюминия, карбонат аммония | |
| Ацетат натрия, сульфат железа (II), карбонат алюминия, бромид калия | |
| Нитрат свинца (II), нитрит аммония, сульфат калия, карбонат натрия | |
| Хлорид цинка, нитрат бария, сульфид алюминия, ацетат меди (II) | |
| Нитрит кальция, нитрат никеля (II), карбонат железа (III), хлорид рубидия | |
| Бромид калия, сульфид натрия, хлорид меди (II), сульфид хрома (III) | |
| Нитрат меди (II), сульфид кальция, нитрат стронция, сульфид аммония | |
| Хлорид меди (II), фосфат цезия, сульфат калия, сульфид железа (II) | |
| Нитрат натрия, хлорид бериллия, фосфат калия, сульфит аммония | |
| Сульфат алюминия, нитрит бария, хлорид калия, сульфид алюминия |
Задание 9 . Приведите молекулярные и краткие ионно-молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения, укажите условия их протекания:
| Вар | Превращения | Вар | Превращения |
| BaCO 3 ® Ba(HCO 3) 2 ® BaCO 3 Fe 2 O 3 ® Fe(OH) 3 Cu ® CuSO 4 Cu(NO 3) 2 ® CuOHNO 3 ® Cu(NO 3) 2 Na 2 SO 4 ® NaCl | ZnO ® Zn(OH) 2 Ca 3 (PO 4) 2 ® CaHPO 4 ® Ca 3 (PO 4) 2 FeCl 3 ® FeOHCl 2 ® FeCl 3 KNO 3 ® HNO 3 Fe ® FeCl 2 | ||
| Hg ® Hg(NO 3) 2 ZnSO 4 ® (ZnOH) 2 SO 4 ® ZnSO 4 Na 3 PO 4 ® NaCl K 2 SO 3 ® KHSO 3 ® K 2 SO 3 MgO ® Mg(OH) 2 | KCl ® KNO 3 Cu ® CuCl 2 PbO ® Pb(OH) 2 MgCO 3 ® Mg(HCO 3) 2 ® MgCO 3 AlCl 3 ® Al(OH) 2 Cl ® AlCl 3 | ||
| Fe ® Fe(NO 3) 2 CuSO 4 ® CuCl 2 Al 2 O 3 ® Al(OH) 3 FeCl 2 ® FeOHCl ® FeCl 2 K 3 PO 4 ® KH 2 PO 4 ® K 3 PO 4 | K 2 S ® KHS ® K 2 S CuO ® Cu(OH) 2 Cr 2 (SO 4) 3 ® CrOHSO 4 ® Cr 2 (SO 4) 3 KCl ® HCl Al ® Al 2 (SO 4) 3 | ||
| Cr(NO 3) 3 ® CrOH(NO 3) 2 ® Cr(NO 3) 3 SnO ® Sn(OH) 2 K 2 CO 3 ® KHCO 3 ® K 2 CO 3 K 3 PO 4 ® KNO 3 Cu ® Cu(NO 3) 2 | Fe ® FeCl 3 Ba 3 (PO 4) 2 ® Ba(H 2 PO 4) 2 ® Ba 3 (PO 4) 2 FeO ® Fe(OH) 2 AlCl 3 ® AlOHCl 2 ® AlCl 3 K 2 SO 4 ® KCl | ||
| MnO ® Mn(OH) 2 Al 2 (SO 4) 3 ® 2 SO 4 ® Al 2 (SO 4) 3 BaCl 2 ® Ba(NO 3) 2 CaCO 3 ® Ca(HCO 3) 2 ® CaCO 3 Mg ® Mg(NO 3) 2 | ZnCl 2 ® ZnOHCl ® ZnCl 2 Na 2 SO 3 ® NaHSO 3 ® Na 2 SO 3 Cr 2 O 3 ® Cr(OH) 3 CuSO 4 ® Cu(NO 3) 2 Fe ® FeSO 4 | ||
| Na 3 PO 4 ® NaH 2 PO 4 ® Na 3 PO 4 NiO ® Ni(OH) 2 Al(NO 3) 3 ® Al(OH) 2 NO 3 ® Al(NO 3) 3 Ag ® AgNO 3 NaNO 3 ® Na 2 SO 4 | CoO ® Co(OH) 2 Al 2 (SO 4) 3 ® 2 SO 4 ® Al 2 (SO 4) 3 KCl ® K 2 SO 4 Al ® AlCl 3 Na 2 CO 3 ® NaHCO 3 ® Na 2 CO 3 | ||
| CrCl 3 ® Cr(OH) 2 Cl ® CrCl 3 BeO ® Be(OH) 2 Na 2 SO 4 ® NaNO 3 Zn ® Zn(NO 3) 2 Mg 3 (PO 4) 2 ® Mg(H 2 PO 4) 2 ® Mg 3 (PO 4) 2 | Na 2 S ® NaHS ® Na 2 S Fe 2 O 3 ® Fe(OH) 3 Pb(NO 3) 2 ® PbOHNO 3 ® Pb(NO 3) 2 KNO 3 ® K 2 SO 4 Al ® Al 2 (SO 4) 3 | ||
| PbO ® Pb(OH) 2 , K 3 PO 4 ® KCl, Pb ® Pb(NO 3) 2 CaSO 3 ® Ca(HSO 3) 2 ® CaSO 3 , Fe 2 (SO 4) 3 ® FeOHSO 4 ® Fe 2 (SO 4) 3 |
Задание 10. Решите расчетную задачу.
1. Раствор 7,252 г глюкозы в 200 г воды замерзает при –0,378°С. Криоскопическая постоянная воды равна 1,86. Определите молекулярную массу глюкозы.
2. Давление пара воды при 80°С равно 355,1 мм рт.ст. Рассчитайте давление пара над раствором, содержащим 6 г мочевины СО(NH 2) 2 в 180 г воды.
3. При какой температуре замерзнет раствор 0,022 моль глюкозы в 100 г воды? Криоскопическая постоянная воды равна 1,86.
4. Определите относительное понижение давления пара над раствором, содержащим 4,14 г салициловой кислоты С 7 Н 6 О 3 в 100 г этилового спирта.
5. Определите температуру замерзания раствора 0,625 граммов мочевины CO(NH 2) 2 в 50 г воды. Криоскопическая постоянная воды 1,86.
6. Давление пара бензола (С 6 Н 6) при 20°С равно 75,18 мм рт.ст. Вычислите, давление пара над раствором, содержащим 0,514 г дифениламина (C 6 H 5) 2 NH в 50 г бензола при этой температуре.
7. Определите температуру замерзания раствора, содержащего 1,205·10 23 молекул неэлектролита в 1 л воды. Криоскопическая постоянная воды 1,86.
8. Какова массовая доля фруктозы С 6 Н 12 О 6 в водном растворе, который замерзает при –0,524°С? Криоскопическая постоянная воды 1,86.
9. Давление пара воды при 50°С равно 92, 5 мм рт.ст. Сколько моль глюкозы надо растворить в 270 г воды, чтобы давление пара над раствором понизилось на 0,5 мм рт.ст.?
10. Вычислите давление пара воды над 5%-ным водным раствора глицерина C 3 H 8 O 3 при 25°С. Давление пара воды при этой температуре равно 23,76 мм. рт. ст.
11. Определите температуру замерзания раствора 0,8 граммов мочевины CO(NH 2) 2 в 80 г воды. Криоскопическая постоянная воды 1,86.
12. Вычислите температуру кипения водного однопроцентного раствора глицерина С 3 Н 8 О 3 . Эбуллиоскопическая постоянная воды 0,512.
13. Вычислите молекулярную массу бензальдегида, если раствор 1,612°г его в 100 г эфира С 4 Н 10 О кипит при 34,806°С. Температура кипения эфира 34,5°С, а эбуллиоскопическая постоянная его равна 2.
14. Давление пара раствора, содержащего 0,425 г анилина в 100 г эфира (С 4 Н 10 О) при 20°С равно 440,9 мм рт.ст. Давление пара над чистым эфиром при той же температуре – 442,4 мм рт. ст. Определите молекулярную массу анилина.
15. Давление пара бензола (С 6 Н 6) при 20°С равно 75,18 мм рт.ст. Вычислите, давление пара над раствором, содержащим 0,4 г анилина С 6 Н 7 N в 50 г бензола при этой температуре.
Тестовые задания для самоконтроля
1 . Количество молей вещества в единице объема раствора –
1) молярная концентрация;
2) нормальная концентрация;
3) массовая доля.
2 . Отношение массы растворенного вещества к массе раствора –
1) массовая доля;
2) нормальная концентрация;
3) молярная концентрация.
3 . Растворимость газа пропорциональна его парциальному давлению над раствором –
1) Закон Генри;
2) Закон Рауля;
3) Закон Вант-Гоффа.
4 . К сильным электролитам относится?
5 . В растворе не возможна реакция:
1) Be(OH) 2 + 2KOH = K 2 ;
2) KOH + HNO 3 = KNO 3 + H 2 O;
3) KOH + NaNO 3 = KNO 3 + NaOH.
6 . Отрицательный логарифм концентрации ионов водорода в растворе:
1) K нестойкости;
1) С. Аррениус;
2) Д.И. Менделеев;
3) Н.К. Курнаков.
8 . Электролиты, при диссоциации которых в качестве анионов образуются только ОН – - ионы, – это:
1) кислоты;
2) основания;
9 . Ступенчатой диссоциации в растворе подвергаются молекулы…
8. Уравнение K д = α 2 с является выражением закона:
2) Вант-Гоффа;
3) Оствальда.
11 . Дисперсной системой является:
1) раствор сахара;
2) минеральная вода;
3) молоко.
12 . Согласно теории строения коллоидных растворов, мицелла является _______ частицей:
1) электронейтральной;
2) отрицательно заряженной;
3) положительно заряженной.
13 . Движение частиц дисперсной фазы к одному из электродов называется:
1) электрофорезом;
2) электроосмосом;
3) коагуляцией.
14 . Процесс укрупнения частиц, приводящий к потере устойчивости золя, называется:
1) седиментацией;
2) коагуляцией;
3) электрофорезом.
15 . Рассеяние света частицами дисперсной фазы коллоидного раствора, являющееся следствием коллоидной степени дисперсности этих частиц, открыл:
2) Тиндаль;
Ответы к тестовым заданиям
| № вопроса | |||||||||||||||
| № ответа |
Лабораторная работа № 6
Часть I. Сильные и слабые электролиты
Цели работы: изучить электрическую проводимость растворов электролитов и влияние на нее различных факторов.
Реактивы : 1 н. растворы соляной кислоты, уксусной кислоты, гидроксида натрия и гидроксида аммония.
Оборудование: источник питания посто
Под структурой понимают взаимное расположение частей тела. Структура разбавленных агрегативно устойчивых лиозолей аналогична структуре истинных растворов. Увеличение концентрации частиц приводит к их агрегации, а затем к коагуляции. Возникновение структуры в дисперсных системах всегда связано с понятием коагуляции. Образование структуры проходит следующие стадии:
золь структурированная жидкость гель твердообразные системы.
Структурирование приводит к изменению характера течения или полному отверждению жидкости и изменению всех ее свойств Дисперсные системы приобретают способность сопротивляться нагрузке, изменяется характер их течения и т.д. Особенности поведения различных систем при течение и деформации изучаются реологией – наукой о деформации и течении тел. Структурно-механические свойства дисперсных систем изучает физико-химическая механика, которая является разделом курс поверхностные явления и дисперсные системы. К структурно-механическим свойствам относятся: вязкость, пластичность, упругость и прочность.
Свободнодисперсное состояние лиозолей. Если частицы не взаимодействуют друг с другом и способны свободно перемещаться в дисперсионной среде, то такое состояние лиозолей называется свободнодисперсным. Свободнодисперсные системы текут подобно любой жидкости. Сопротивление внешнему давлению при течении характеризуется вязкостью. Но характер их течения отличается от ньютоновских жидкостей. Ньютоновскими жидкостями называются те, которые подчиняются закону Ньютона. Ньютон установил, что сила внутреннего трения (F) равная по величине, но обратная по направлению силе, приложенной извне, пропорциональна площади слоя (S), к которому приложена эта сила и изменению деформации во времени (скорости деформации dх/dτ):
F = η S(dх/dτ) = ηSγ
Коэффициент пропорциональности η называется коэффициент вязкости или вязкость жидкости. Отношение F/S = Р называется напряжением сдвига. Свободнодисперсные системы и ньютоновские жидкости текут при любом напряжении сдвига.
η = Р/γ. (XIII.1)
Для ньютоновских жидкостей вязкость – это величина постоянная при данной температуре и не зависит от напряжения сдвига (рис. XIII.1).
Лиозоли имеют ряд особенностей. Они не подчиняются закону Ньютона. Вязкость золя всегда больше, чем вязкость дисперсионной среды. Из за наличия частиц дисперсной фазы течение золей характеризуется ранней турбулентностью (т.е. число Рейнольдса Re для них меньше, чем для ньютоновских жидкостей). Вязкость золей зависит от способа измерения и градиента скорости, т.е. не является постоянной величиной. Поэтому коллоидные системы характеризуют эффективной вязкостью η*. Закон Ньютона для них запишется в виде
Р = η*γ. (XIII.2)
Зависимость вязкости свободнодисперсных золей от концентрации дисперсной фазы описывается различными формами уравнения Эйнштейна
(η – η о)/η о = Кφ;
η/ η о = 1+ Кφ ;
η = η о (1+ Кφ),
где η – вязкость золя;
η о – вязкость дисперсионной среды;
η/ η о – относительная вязкость золя; К – коэффициент, зависящий от формы частиц;
φ - объемная доля дисперсной фазы (V дис) в общем объеме системы (V) (φ =V дис /V).
Рисунок XIII.1 - Зависимость скорости деформации от напряжения сдвига для ньютоновских жидкостей (1) и свободнодисперных лиозолей (2).
Для сферических частиц при объемной доле дисперсной фазы ≤6 % уравнение Эйнштейна приобретает вид: η = η о (1+ 2,5φ), при объемной доле дисперсной фазы ≤30 % это уравнение записывается в виде
η = η о (1+ 2,5φ +14,7 φ 2). (XIII.3)
Зависимость вязкости золя от концентрации дисперсной фазы представлена на рис.
Структурирование золей . При повышении концентрации или в результате коагуляции в золях образуется пространственная структура. Структура представляет собой пространственный каркас, образованный частицами дисперсной фазы, которые связаны между собой. Такие структурированные дисперсные системы называются связаннодисперсными. Они характеризуются новым комплексом свойств, проявляют прочность, пластичность, эластичность, хрупкость.
Классификация структур по П.А.Ребиндеру . В зависимости от природы действующих в структурированной системе сил П.А Ребиндер предложил различать два основных вида структур: коагуляционные (обратимо разрушающиеся) и конденсационно - кристаллизационные (необратимо разрушающиеся).
Рисунок XIII.2- Зависимость вязкости ньютоновской жидкости (кривая 1), свободнодисперсного лиозоля (кривая 2), структурированного золя (кривая 3) от концентрации дисперсной фазы
Коагуляционные структуры возникают в результате потери агрегативной устойчивости системы и взаимодействия частиц в дальнем энергетическом минимуме энергетической кривой. При этом частицы не слипаются полностью, а только слабо взаимодействуют друг с другом определенными частями, на которых снят фактор устойчивости. Частицы образуют пространственную сетку, в системе происходит гелеобразование. При этом раствор меняет свои механические свойства. Схема полученной структуры показана на рис. XIII.3.
Дисперсные системы, в которых произошло образование коагуляционной структуры, называются гелями. Гелеобразование – обратимый процесс. Ему способствуют повышение концентрации дисперсной фазы, повышение степени дисперсности, добавление электролитов, асимметрия частиц дисперсной фазы, понижение температуры, добавление ПАВ.
Рисунок XIII.3- Схема структуры геля
Гели проявляют ряд характерных свойств. Самопроизвольное восстановление геля после его механического разрушения называется тиксотропией. Различают тиксотропию прочностную, которая связана с разрушением и образованием пространственной сетки и тиксотропию вязкостную, которая связана с разрушением и образованием агрегатов частиц.
Для гелей характерно явление синерезиса. Это самопроизвольное уменьшение размеров геля с одновременным выделением из него дисперсионной среды. суть этого явления состоит в том, что при хранении происходит перегруппировка частиц в геле, связи между ними увеличиваются и они сближаются между собой. Это вызывает выдавливание дисперсионной среды.
Гели имеют свойство высыхать с образованием ксерогеля и набухать при добавлении дисперсионной среды.
Гели характеризуются структурной вязкостью. При наличии коагуляционной структуры течение геля начинается только после ее разрушения. При этом напряжение Р превышает критическое напряжение сдвигаΘ , необходимое для разрушения структуры. ВеличинаΘ называется предел текучести, а течение гелей называется пластическим течением. Для описания свойств таких систем используют уравнение Бингама-Шведова:
Р- Θ = η’γ,
где η’ – пластическая вязкость.
Реологическая кривая для геля представлена на рис.
Рисунок XIII.4- Реологическая кривая геля
Конденсационно -кристаллизационные структуры возникают в результате химического взаимодействия между частицами и образования жесткой объемной структуры Этот процесс соответствует коагуляции в ближнем потенциальном минимуме энергетической кривой. Это типичные структуры для связаннодисперсных систем. Их разрушение происходит необратимо. Они не набухают, проявляют упруго-хрупкие свойства.
СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ |
| Рубрика (тематическая категория) | Химия |
Образование структур в коллоидных и микрогетерогенных системах является следствием коагуляции этих систем и по мере увеличения концентрации дисперсной фазы проходит широкий “спектр” состояний – от истинно жидких (золи) через структу-рированные жидкости, гели, к твердообразным системам.
Коллоидные и микрогетерогенные системы с жидкой и твердой дисперсионной средой, как и все конденсированные системы, обладают определенными механическими свойствами – вязкостью, часто пластичностью, упругостью и прочностью. Эти свойства связаны со структурой систем, в связи с этим их называют структурно-механическими свойствами, или реологическими .
Коллоидные и микрогетерогенные дисперсные системы делятся на свободнодисперсные и связнодисперсные. В случае если дисперсионной средой является жидкость, то бывают и переходные системы, отдельные частицы которых связаны друг с другом в рыхлые агрегаты, но не образуют сплошной структуры – структурированные жидкости.
На тип системы большое влияние оказывает концентрация дисперсной фазы. Коллоидные системы, в которых частицы находятся на достаточно больших расстояниях друг от друга и практически не взаимодействуют, называются свободнодисперсными. При введении в такую систему стабилизатора, препятствующего сближению частиц и проявлению молекулярных сил между ними, можно значительно увеличить критическую концентрацию, при которой возникают связи между элементами структурной сетки. Необходимо отметить, что по своим свойствам такие коллоидные системы очень похожи на обычные жидкости, их вязкость мало отличается от вязкости дисперсионной среды и незначительно увеличивается с ростом содержания дисперсной фазы.
В связнодисперсных системах концентрация дисперсной фазы может достигать высоких значений. Частицы в такой системе связаны друг с другом межмолекулярными силами и вследствие этого не способны к взаимному перемещению, они образуют пространственную сетку или структуру. Связнодисперсные системы обладают в известной степени свойствами твердых тел – способностью сохранять форму, некоторой прочностью, упругостью, эластичностью. Но из-за малой прочности связи между отдельными элементами структуры они легко разрушаются и эти системы приобретают способность течь.
Структурированные жидкости представляют из себясистемы с малой концентрацией дисперсной фазы, но с явно выраженной тенденцией частиц к слипанию. Οʜᴎ обладают промежуточными свойствами, эти системы способны течь, но они не подчиняются при этом законам течения обычных неструктурированных жидкостей.
СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ - понятие и виды. Классификация и особенности категории "СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ" 2017, 2018.
В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы нс связаны между собой и могут свободно перемещаться независимо друг от друга. В связнодисперсных системах частицы между собой связаны и образуют структурную сетку с фиксированным взаимным расположением составных частей тела (атомов и молекул) в пространстве. Они не могут перемещаться свободно и совершают только колебательные движения около положения равновесия. Структурные сетки образуются под действием сил Ван- дер-Ваальса и ближнедействующих химических сил в концентрированных суспензиях, эмульсиях, ластах. Структура разбавленных агрегативно устойчивых дисперсных систем по ряду свойств очень похожа на структуру истинных растворов, отличие заключается только в размерах частиц. Увеличение концентрации дисперсной фазы приводит к взаимодействию ее частиц, подобно ассоциации молекул и ионов в истинных растворах. Это взаимодействие сопровождается изменением свойств дисперсных систем, которое происходит постепенно до тех пор, пока в системе не произойдет коагуляция.
В коллоидной химии понятие структуры принято связывать именно с коагуляцией. В процессе коагуляции происходит образование пространственной структурной сетки из частиц дисперсной фазы, что резко увеличивает прочность системы. Структурообразование в свободно-дисперсных системах непосредственно связано с потерей их агрегативной устойчивости. По мере увеличения прочности свободнодисперсная переходит в связнодисперсную систему.
В связнодисперсных системах появление и характер образующихся структур определяют по механическим свойствам системы: вязкости, упругости, прочности и пластичности. Эти свойства называются структурномеханическими или реологическими, так как их исследуют методами реологии - науки о деформациях и течении материальных систем.
Дисперсная система приобретает комплекс структурно- механических (реологических) свойств, характеризующих се способность сопротивляться деформации и делению на части, в результате радикального изменения в ходе структурирования.
Основное из реологических свойств - механическая прочность. Это свойство характерно для всех твердых тел и материалов, оно определяет их роль в природе и технике. Закономерности структурообразования в дисперсных системах, механические свойства структурированных систем и получаемых на их основе разнообразных материалов с особым вниманием к роли физико-химических явлений на границе раздела фаз изучает реология - отдельный раздел коллоидной химии. Иначе этот раздел назы-
вается физико-химической механикой. Реология изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений.
Известно, что деформация - это относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность. Деформация делится на упругую (обратимую, когда тело полностью восстанавливается после снятия нагрузки) и остаточную (необратимую). Упругая деформация, в свою очередь, подразделяется на объемную (растяжение-сжатие), сдвиговую и деформацию кручения. Остаточная деформация, при которой не происходит разрушения тела, называется пластической.
Важными при рассмотрении структурно-механических свойств являются два вида деформаций - растяжение-сжатие и сдвиг. Количественно оба вида деформации характеризуются относительными величинами:
Относительным удлинением (здесь / Q - первоначальная
длина образца; / - его длина после приложенной нагрузки; Д/ - удлинение образца);
Относительный сдвиг или (здесь у - смещение верхнего
слоя, х - высота, на протяжении которой происходит смещение).
Эти понятия включены в законы реологии, сформулированные в виде двух аксиом. По первой аксиоме реологии при всестороннем равномерном (изотропном) сжатии все материальные системы ведут себя одинаково - как идеальные упругие тела, действует только упругая деформация. Изотропное сжатие не позволяет выявить качественные различия в структуре тел.
Вторая аксиома реологии - это утверждение, что любая материальная система обладает всеми реологическими свойствами. Эти свойства проявляются при сдвиговой деформации. Характер и величина деформации зависят от свойств материала, формы тела и способа приложения внешних сил.
Величина 8 в реологии называется упругой деформацией, величина у - сдвиговой деформацией или просто деформацией (рис. 8.1).
, вызывающая деформацию тела, определяется отношением внешней силы F к единице поверхности тела s , на которую она действует: P = F!s. Единицей измерения напряжения является Паскаль (Па): [Р] = Па. Один Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2: 1 Па = 1 Н/м".Жидкости и газы деформируются при наложении минимальных нагрузок, под действием разности давлений они текут. Течение является одним из видов деформации, при котором величина деформации непрерывно увеличивается под действием постоянного давления (нагрузки). В отличие от газов жидкости при течении не сжимаются и их плотность остается практически постоянной.
Рис. 8.1. Схема деформации при растяжении (и) и сдвиге (б)
В реологии механические свойства представляются в виде моделей, в основе которых лежат законы, связывающие напряжение с деформацией (рис. 8.2). Трем участкам кривой соответствуют три элементарные модели идеализированных материалов, отвечающих основным реологическим характеристикам (упругость, вязкость, пластичность): идеально упругое тело Гука, идеально вязкое тело Ньютона, идеально пластичное тело Сен- Венана - Кулона.
Рис. 8.2.
Рис. 8.3.
На участке I зависимость имеет прямо пропорциональный характер и описывается законом Гука для тел с упругой деформацией. Идеально упругое тело Гука представляют в виде спиральной пружины (рис. 8.3).
В соответствии с законом Гука деформация у
в упругом теле пропорциональна напряжению сдвига Р
:
где Е - модуль упругости (модуль Юнга), который является характеристикой материала и его структуры. Для молекулярных кристаллов модуль упругости составляет ~ 10 9 Па, для ковалентных кристаллов и металлов ~10" Па и более. После снятия нагрузки идеально упругое тело Гука мгновенно принимает первоначальную форму (Р = 0; / = 0) . Энергия, затраченная на деформацию идеально упругого тела, возвращается после прекращения действия напряжения, поэтому тело Гука принадлежит к консервативным структурам.
На участке II по рис. 8.2 при значении напряжения, превышающего некоторую величину Р^, называемую пределом упругости, то есть Р > Р к
может произойти разрушение тела или появиться остаточная деформация (Р = 0; у Ф 0). Это область идеально вязкого тела Ньютона, которое представляется в виде поршня с отверстиями, помещенного в цилиндр с жидкостью (рис. 8.4).
При течении идеально вязкой жидкости происходит сдвиг одного слоя жидкости относительно другого при их плоскопараллельном движении. Это течение описывает закон Ньютона, по которому при ламинарном движении жидкости напряжение сдвига Р пропорционально градиенту скорости жидкости или скорости деформации:
где и - скорость течения жидкости; л; - координата; -
градиент скорости, связанный со скоростью
; dr
- время,
за которое происходит изменение при деформации dy
, сопровождающей плоскопараллельное движение двух слоев жидкости:
; /
Скорость деформации
Рис. 8.5.
Рис. 8.4.
Из приведенных соотношений следует связь между скоростью потока и скоростью деформации:
В уравнениях (8.1) коэффициент пропорциональности /; называется коэффициентом внутренного трения, но чаще - ньютоновской вязкостью, динамической вязкостью или просто вязкостью. Это важнейшее свойство, характеризующее структуру любой дисперсной системы. Вязкость является реологической константой и определяет способность жидкости сопротивляться течению.
Величина, обратная вязкости I/77, называется текучестью.
Динамическая вязкость в системе СИ имеет размерность Н-с/м 2 . Эта размерность называется паскаль - секунда (Пас): = Па с. Пас- кальсскунда равна вязкости среды, касательное напряжение в которой при ламинарном течении и при разности скоростей слоев, находящихся на расстоянии 1 м но нормали к направлению скорости, равной 1 м/с, равно 1 Па:
. Например, вязкость воды при 20,5 °С равна 1,005 мПас.
В литературе встречается еще одна единица измерения вязкости - пуаз (П): 1 П=0,1 Па-с. Вязкость газов примерно в 50 раз меньше, у высоковязких жидкостей значения вязкости могут достигать в тысячу и миллионы раз большее значение, у твердых тел вязкость более чем 10 15 - Ю 20 Па с.
Жидкости, течение которых описывают указанные выше уравнения, называются ньютоновскими. Величина деформации ньютоновской жидкости зависит от времени действия напряжения. Так как или ,
то , то есть при постоянном напряжении Р деформация пропорциональна времени действия этого напряжения.
Ньютоновские жидкости способны течь (деформироваться) под действием очень малых внешних нагрузок до тех пор, пока они действуют. Энергия, затраченная на деформацию идеально вязкого тела (ньютоновской жидкости), превращается в теплоту, поэтому тело Ныотоиа принадлежит к диссипативным структурам.
Идеально пластичное тело Сен-Венана - Кулона представляется расположенным на плоскости твердым телом, при движении которого гре- ние постоянно и не зависит от нормальной, то есть перпендикулярной поверхности силы (рис. 8.5). В основе этой модели лежит закон внешнего трения, в соответствии с которым деформация отсутствует, если напряжение сдвига меньше некоторой величины Pj , называемой пределом текучести, то есть при Р деформация отсутствует: у = 0 и у = 0. На рис. 8.2
это III участок, показывающий возможность перехода упругой деформации в пластическую.
Если напряжение достигнет предела текучести, то развиваемая деформация идеально пластического тела нс имеет предела, течение происходит с любой скоростью, то есть при Р = P.j. деформация положительна:
у > 0 и у > 0.
Предел текучести Р^ отражает прочность структуры тела. При условии Р= Р т структура идеального пластического тела разрушается, после
чего сопротивление напряжению полностью отсутствует. Энергия, затраченная на деформацию идеально пластичного тела Сен-Венана - Кулона, превращается в теплоту, поэтому оно принадлежит к диссипативным структурам.
Возникновение структур и их характер обычно определяют, измеряя механические свойства систем: вязкость, упругость, пластичность, прочность. Поскольку эти свойства связаны со структурой, их называют структурно– механическими.
Структурно– механические свойства систем исследуют методами реологии.
Реология – наука о деформациях и течении материальных систем. Она изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений.
Термин деформация означает относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность.
Внешнее напряжение – есть не что иное, как давление Р.
В механике сплошных сред доказывается, что в случае несжимаемых материалов, каковыми являются большинство дисперсных систем, все виды деформации (растяжение, сжатие, кручение и др.) можно свести к основной – деформации сдвига под действием напряжения сдвига Р (Н/м 2 =. Па). Скорость деформации является скоростью сдвига. Деформацию выражают обычно посредством безразмерных величин . Скорость деформации – , где t – время.
Изучая структурно– механические свойства дисперсных систем, можно определить, образуется ли в системе структура и каков ее характер.
СВОБОДНОДИСПЕРСНЫЕ (БЕССТРУКТУРНЫЕ) СИСТЕМЫ
Агрегативно устойчивые золи (бесструктурные системы) подчиняются законам Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна.
Закон Ньютона устанавливает связь между скоростью деформации и напряжением сдвига:
(11.1)
Рис.11.2. Зависимость скорости деформации от напряжения сдвига
Рис.11.3. Зависимость расхода жидкости от давления
Рис. 11.4. Зависимость вязкости дисперсной системы от концентрации
где Р – напряжение сдвига, поддерживающее течение жидкости, Па; – деформация (течение) жидкости; – скорость деформации; – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом вязкости или динамической вязкостью, Па – с; – величина, обратная вязкости, называется текучестью.
Уравнение (11.1) представляет собой уравнение прямой, представленной на рис. 11.2.
Вязкость – величина постоянная, не зависящая от Р.
Закон Пуазейля выражает зависимость объема жидкости, протекающей через трубу или капилляр, от давления:
где Q – расход жидкости в единицу времени; Р - давление в трубе; К – константа, определяемая геометрическими параметрами трубы или капилляра ,(r и l – радиус и длина трубы). Из графика, отвечающего закону Пуазейля (рис. 11.3), видно, что динамическая вязкость не зависит от давления, а скорость течения жидкости прямо пропорциональна давлению.
Закон Эйнштейна устанавливает зависимость вязкости бесструктурной жидкой дисперсной системы от концентрации дисперсной фазы:
(11.3)
где – динамическая вязкость дисперсионной среды; – объемная концентрация дисперсной фазы; – коэффициент, определяемый формой частиц дисперсной фазы. График, отвечающий закону Эйнштейна, дан на рис. 11.4.
Таким образом, относительное приращение вязкости прямо пропорционально относительному содержанию дисперсной фазы. Чем больше , тем сильнее выражено тормозящее влияние частиц, тем больше вязкость. Расчеты, проведенные Эйнштейном, показали, что для сферических частиц = 2,5, для частиц другой формы > 2,5. Жидкости, подчиняющиеся рассмотренным законам, называются ньютоновыми жидкостями.
ЖИДКООБРАЗНЫЕ СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
При наличии структуры взаимодействием между частицами дисперсной фазы нельзя пренебречь. Прилагаемое напряжение сдвига не только заставляет жидкость течь, но и может разрушать существующую в ней структуру. Это неизбежно должно приводить к нарушению пропорциональности между прилагаемым напряжением Р и скоростью деформации , вязкость системы становится величиной, зависящей от Р. Следовательно, для таких жидкостей законы Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна не выполняются. Такие жидкости называются неньютоновыми жидкостями.
Для описания связи между скоростью деформации и прилагаемым напряжением сдвига Р обычно используют эмпирическое уравнение Оствальда – Вейля:
Или , (11.4)
где k и n – постоянные, характеризующие данную жидкообразную систему.
При n – 1 и k = уравнение (11.4) превратится в уравнение Ньютона. Таким образом, отклонение величины n от единицы характеризует степень отклонения свойств неныотоновых жидкостей от ньютоновых. При n < 1 ньютоновская вязкость уменьшается с увеличением напряжения и скорости сдвига. Такие жидкости называются псевдопластическими.
При n > 1 ньютоновская вязкость жидкости увеличивается при увеличении напряжения и скорости сдвига. Такие жидкости называются дилатантными.
На рис. 11.5 представлена кривая течения псевдопластической жидкости. На кривой имеются три характерных участка. На участке I (OA) система ведет себя подобно ньютоновой жидкости с большой вязкостью .Такое поведение системы объясняется тем, что при малых скоростях течения структура, разрушаемая приложенной нагрузкой, успевает восстанавливаться. Такое течение называется ползучестью.
Рис.11.5. Кривая течения псевдопластической структурированной
жидкообразной системы
Ползучесть – это медленное течение с постоянной вязкостью без прогрессирующего разрушения структуры.
Для слабоструктурированных систем участок I обычно небольшой и его практически невозможно обнаружить. Для сильноструктурированных систем область значений Р, при которых наблюдается ползучесть, может быть весьма значительной. Напряжение Р к соответствует началу разрушения структуры.
На участке II (АВ) зависимость от Р теряет линейный характер, при этом вязкость уменьшается. Это уменьшение связано с разрушением структуры. В точке В структура практически полностью разрушена. Напряжение, отвечающее этой точке, называется предельным напряжением сдвига Р m . При напряжениях Р > Р m , когда структура системы разрушена, система течет подобно ньютоновой жидкости, имеющей вязкость .
Напряжение Р т называется пределом текучести – это минимальное напряжение сдвига, при котором ползучесть системы переходит в течение. Чем прочнее структура, тем выше предел текучести. Расход жидкости в единицу времени Q, протекающей через трубу при Р < Р m можно рассчитать по уравнению Бингама:
(11.5)
где – пластическая вязкость, она характеризует способность структуры к разрушению при изменении нагрузки, т. е. = f(Р).
Прочность структуры оценивается не только пределом текучести, но и разностью . Чем больше эта разность, тем прочнее структура. Значения и и могут различаться на несколько порядков. Так, для суспензии бентонитовой глины = 10 6 Па * с, a = 10 -2 Па * с.
ТВЕРДООБРАЗНЫЕ СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
На рис. 11.6 изображена кривая течения твердообразной структурированной системы. Сравнивая эту кривую с аналогичной кривой для жидкообразной структурированной системы (см. рис. 11.5), видим, что на первой кривой появился горизонтальный участок IV, совпадающий с осью абсцисс. Он заканчивается при достижении давления, равного PS, называемого статическим предельным напряжением сдвига. При Р < PS система не только не течет, но и не проявляет свойств ползучести, . Величина PS характеризует прочность сплошной пространственной сетки.
Рис.11.6. Кривая течения твердообразной структурированной системы
При Р > PS кривая течения твердообразной системы аналогична кривой течения жидкообразной системы, рассмотренной выше.
Для твердообразных упругопластичных тел 
на много порядков больше, чем для жидкообразных и при достижении предела текучести Р Т наступает лавинообразное разрушение структуры с последующим пластическим течением.
В упругохрупких телах течение не наблюдается, так как напряжение, при котором происходит хрупкий разрыв, достигается раньше, чем предел текучести.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Свойства дисперсных систем зависят от концентрации частиц дисперсной фазы. В разбавленных золях расстояния между частицами сравнительно велики и взаимодействием между ними можно пренебречь. Такие системы являются свободнодисперсными (бесструктурными).
При увеличении концентрации дисперсной фазы между частицами возникают контакты, образуется структура.
Структурированные коллоидные системы делятся на коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные. Коагуляционные структуры – гели, в которых частицы дисперсной фазы разделены прослойками дисперсионной среды, образуются за счет ван– дер– ваальсовых сил и обладают малой прочностью. Для этих структур характерны свойства тиксотропии и синерезиса. При определенных условиях гели могут превращаться в золи.
Конденсационно– кристаллизационные структуры образуются за счет непосредственного химического взаимодействия между частицами, характерны для связнодиспересных систем с твердой дисперсионной средой и придают им твердость и хрупкость. Превращение коагуляционных структур в конденсационно– кристаллизационные является процессом необратимым.
Структурированные системы обладают способностью деформироваться под влиянием механических нагрузок, а в некоторых случаях происходит их течение. Изучение таких систем с целью выявления наличия структуры и ее характера осуществляется методами реологии – науки о деформациях и течении материальных систем.
Бесструктурные системы, жидкообразные коагуляционные и твердообразные системы различаются по структурно-механическим свойствам (вязкости, упругости, прочности и пластичности).
Бесструктурные коллоидные системы, подобно чистым жидкостям, подчиняются законам Ньютона, Пуазейля и Эйнштейна. Они обладают постоянной вязкостью, не зависящей от приложенных нагрузок. Они называются ньютоновыми жидкостями.
Жидкообразные структурированные системы называются неньтоновыми жидкостями – их течение не подчиняется закону Ньютона, а вязкость зависит от напряжения сдвига. При некотором напряжении сдвига, называемом предельным, происходит полное разрушение структуры и система течет подобно ньютоновой жидкости, при этом вязкость системы становится минимальной.
Твердообразные структурированные системы характеризуются наличием первого (статического) предельного напряжения сдвига, до достижения которого жидкость не течет и не проявляет свойства ползучести. Для многих твердообразных тел разрушение структуры происходит при напряжениях, меньших предела текучести.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Какие структурированные системы называются коагуляционными? За счет каких сил они образуются?
2.В чем состоят особенности конденсационно– кристаллизационных структур?
3.Какие свойства называются тиксотропией и синерезисом?
4.Какие свойства относятся к структурно– механическим? Почему они так называются?
5.Какие зависимости изучает реология?
6.Какие жидкости называются ньютоновыми? Каким законам они подчиняются?
7.Какие участки имеются на кривых течения жидкообразных систем?
8.Какое явление называется ползучестью? Для какихсистем это явление наблюдается?
9.В чем состоят особенности течения твердообразных систем?
10, Что можно сказать о влиянии скорости сдвига на ньютоновскую вязкость для разных систем?
Закончив изучение главы 11, вы должны знать:
Причины структурообразования в дисперсных системах;
Виды структурированных дисперсных систем, их особенности;
Основные структурно– механические свойства разных систем.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
ЛИОФИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Большинство дисперсных системявляются лиофобными. Для них характерны:
Гетерогенность, наличие четко выраженной межфазной границы;
Высокаястепень раздробленности дисперсной фазы;
Процесс диспергирования является несамопроизвольным, требует затраты энергии;
Наличие избытка свободной поверхностной энергии, что обусловливает стремлениек коагуляции. Свойства лиофобных систем былиподробно рассмот– рены в предыдущихглавах.
Теперь мы переходим к рассмотрению лиофильных систем, свойства которых принципиально отличаются от свойств лиофобных систем, а именно:
Образование этих систем происходит самопроизвольно, часто с выделением энергии;
Имеет место сильное межмолекулярное взаимодействие между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой. Межфазовое поверхностное натяжение очень мало, а межфазовая граница размыта;
Системы являются термодинамически устойчивыми, что означает постоянство во времени концентрации и размеров частиц.
К лиофильным системам относятся:
Коллоидные поверхностно– активные вещества (ПАВ);
Растворы высокомолекулярных соединений (ВМС).
ГЛАВА 12
КОЛЛОИДНЫЕ ПОВЕРХНОСТНО–АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА
О поверхностно– активных веществах шла речь в связи с адсорбцией молекул на поверхности жидкого раствора (глава 3). Вспомним определение ПАВ:
ПАВ – это вещества, добавление которых в гетерогенную систему уменьшает поверхностное натяжение на границе раздела фаз. При этом во всем интервале концентраций вплоть до насыщенного раствора ПАВ находятся в молекулярно-дисперсном состоянии, т. е. системы являются гомогенными.
При удлинении углеводородной цепи до 8– 10 атомов углерода возникает новое свойство – способность молекул ПАВ объединяться в агрегаты, содержащие десятки молекул и называемые мицеллами. При малых концент– рациях эти ПАВ образуют истинные растворы. При увеличении концентрации раствора до определенной величины, называемой критической концентрацией мицел-лообразования (ККМ), в растворе наряду с молекулами ПАВ присутствуют мицеллы, т. е. появляется новая фаза. Такие системы характеризуются двумя свойствами: высокой дисперсностью и гетерогенностью, т. е. обладают свойствами коллоидных растворов.
Коллоидные ПАВ – это вещества, которые не только снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз, но при определенных концентрациях способны к самопроизвольному мицеллообразованию, т. е, к обра – зованию новой фазы.
Отличие коллоидных ПАВ от обычных заключается только в длине углеводородного радикала.
