Практикум ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

Министерство Образования Российской Федерации
Московская государственная академия
тонкой химической технологии
им. М. В. Ломоносова
Кафедра
коллоидной ХИМИlt
·уторский, Е. Ф. Буканова, о. А. Дулина
Практикум ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ
«Получение, оптические И молекулярно­
кинетические свойства КОДЛОИДНЫХ систем»
(Учебно-методическое пособие)
Москва
2001
rод.
раздробленности, размер межфазной поверхности,
reTepQreHHOCTb
же в первую очередь указывает на качественную характеристику
объектов,
что
более
важно
при
УCiановлении
отличительных
особенностей объектов той или иной науки.
Объекты
коллоидной
химии
можно
охарактеризовать
и
определенным видом энергии, которым они обладают, исходя из
тех
же
основных
определяется
признаков.
Гетерогенность
поверхностным
количественно
натяжением
величиной,
характеризующей энергию единицы поверхности и являющейся
фактором интенсивности. Поверхностное натяжение определяет
как бы степень гетерогенности, реЗКQСТЬ перехода
QT одной фазы к
другой, различие между соприкасающимися фазами. Чем сильнее
выражена
гетерогенность
природе
сопряженныe
натяжение.
величиной
Второй
и
чем
фазы,
более резко
тем
признак-
поверхности
поверхностного натяжения
по
больше
поверхностное
дисперсность
определяется
(фактор
cr
различаются
емкости).
Произведение
на величину пове:рхности
S
равно
поверхностной энергии Гиббса:
GS=a·S
Таким
(1)
образом.
объекты
коллоидной
химии
обладают
повеРХНОС'fНОЙ энергией.
В
настоящем
пособии
будут
рассматриваться
методы
получения .r'!иофобных систем и методы определения размеров
фазовых
частиц,
основанные
на
молекулярно-кинетических свойств
изучении
их
оптических
и
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
N21
ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.
Цель работы
Получение гидрозолей различными методами; наблюдение
их опалесценции и определения знака заряда частиц
1.
Теоретическая часть.
Поскольку дисперсные системы занимают промежуточное
положение между макроскопическими гетерогенными системами
и
молекулярными
известны
два
способа
диспергированием
-
растворами
гомогенными
получения
(измельчением)
системами,
дисперсных
систем:
макроскопических
фаз
(диспергационный путь ct5разования) и конденсацией из истинных
растворов (конденсационное образование).
Диспергационные
получения
методы
микрсгетерогенных
суспензий,
эмульсий,
предпочитают
широко
и
грубодисперсных
порошков.
измельчать
используются
ударом,
Хрупкие
вязкие-
ДЛЯ
систем­
материалы
истиранием.
К
диспергирующим устройствам относятся шаровые и стержневые
мельницы,
сухом
вальцы,
краскотерки,
помоле обычно
Коллоидные
суспензий
с
дисперсности
получают частицы
мельницы
размерами
можно
диспергированием.
коллоидные
мельницы.
При
размером ..во
мкм.
обеспечивают возможность
чаСiv.ц
тзюке
не
более
достичь
К диспергационным
1
МКМ.
получения
Высокой
ультразвуковым
методам
относится
метод Физико-химического дробления осаДКО8 (пептизация).
и
6
Пептизацией
называют
(физико-химическим
расщепление
на
первичные
дроблением
частицы
осадков)
под действием
внешней среды агрегатов, возникающих в результате обратимой
коагуляции дисперсных систем. Существуют три способа перевода
осадка в коллоидный раствор.
1}
Адсорбционная
конденсация.
В
этом
случае
частиц друг от друга вызывается ДЭС,
поверхности
частиц
при
адсорбции
отталкивание
образующимся
ионов
на
добавляемого
электролита-стабилизатора.
2)
Пеnтизация
путем
образованием
Пептизатор
поверхностной
ДЭС
здесь
методом
диссоциации.
поверхностной
способствует
процессу
Связана
с
модификации.
диссоциации
с
поверхности, вызывая образование растворимых соединений
на поверхности частиц.
З)
Пептизация путем промыеания осадка. Применяется в том
случае, когда на поверхности частиц в осадке есть двойные
электрические
концентрации
слои,
но
они
электролита.
сжаты
При
вследствие
большой
промывании такого осадка
водой концентрация электролита в нем уменьшается, двойные
слои
увеличивают
свою толщину;
силы
электростатического
отталкивания между частицами будут действовать на более
далеких
расстояниях
и
вызовут
коллоидное
растворение
осадка.
Пептизация протекает с определенной скоростью, которая
как правило, возрастает с повышением температуры. Пептизация
имеет большое значение в технике при изготовлении суспензий
глин, цементов. в препаративной коллоидной химии при получении
золей
Однако в ряде производств пептизация может играть и
отрицательную
роль,
так,
например,
при
извлечении
возможна нежелательная пептизация пеi<:тина
vi
сахара
других веществ,
содержащихся в растительных тканях.
Конденсационные
позволяют
получать
Конденсация
методы,
дисперсные
как
указывалось
системы
из
выше,
гомогенных
сред.
это образование устойчивой своБОДНОДИСflерсной
-
системы в результате ассоциации молекул, атомов или йонов в
агрегате
В
процесса:
основе
1)
конденсационных
возникновение
М!-1нимальным
скоплеl-lием
равновесии
окружающей
с
новой
методов
зародышей,
фазы
средой,
и
и
2)
лежат
два
являющихся
I-Iаходящихся
рост
в
зародышей,
приводящий к образованию частиц дисперсной фазы.
Размер
KPl-1тического зародыша:
где
v:; -молярный объем новой фазы,
!Llpl- разность химических потенциалов
p/Ps -
степень пересыщения
Процесс
собой
не
что
стабильную,
энергии
образования
иное,
переход
сопровождающийся
системы.
ИСI<лючением
как
коллоидных
стадии
Этот
представлqет
метастабильной
уменьшением
процесс
образования
частl-tЦ
фазы
свободной
самопроизвольный
зародышей,
в
поскольку
за
эта
~;ЭДИЯ СОПQоес)У~зется У8еличениеr,,~ свободней поверхностной
энергии вследствие образования новой поверхности
После того
как зародыши, образующиеся в системе, достигнут определенного
размера переход совершается самопроизвольно.
Известны два механизма образования зародышей:
а)
гомогенный,
при
котором
новая
фаза
зарождается
в
однородной старой фазе. Образование зародышей при этом
обьясняется местным повышением концентраций в результате
теплового движения молекул (Флуктуации концентраций). Для
самопроизвольного возникновения новой фазы в этом случае
необходимо заметное пересыщение.
Ь)
гетерогенный. при котором зарождение происходит в местах
неоднородной фазы
Центрами конденсации в этом случае
могут быть какие-либо поверхности (например, стенки сосудов
или
посторонние
новой
фазой
расчеты,
в
включения),
присутствии
проведенные
показывают,
что
Юж.
работа,
У.
избирательно
старой.
смачиваемые
Термодинамические
Гиббсом
затраченная
И
М.
на
Фольмером,
образование
равновесного зародыша по гетерогенному механизму, меньше,
чем по гомогенному. что связано с наличием готовых центров
конденсации
при
гетерогенном
обраЗ0ваН~1И.
Этот
вывод
подтверждается экспериментально
Скорость
действующей
рост€!
заРОДЬ1шей
концентрации
опреде.п~етс~
вещества
в
разностью
растворе
и
его
равновесной концентрацией при той же температуре Чем больше
9
разность,
тем
быстрее
растут
зародыши
Для
того,
чтобы
получить системы высокой дисперсности нужно, чтобы скорость
возникновения зародышей была большой, а скорость их роста
маленькой.
Появление
среды.
новой
Факторы,
фазы
происходит
приводящие
к
при
пересыщении
появлению
пересыщения
(метастабильности) исходной системы можно разделить на две
группы:
физические
изменение
и
давления
химические.
или
Физические
температуры,
методы-
например,
это
прямая
конденсация, а также замена растворителя.
Конденсация паров
что
в
газообразной
Сущность метода заключается в том,
системе
при
изменении
температуры
давление пара может стать выше равновесного давления пара
!-!ЭД ЖИДКССТЬЮ или твердь!м телом и в газовой фазе возникает
новая
жидкая
или
твердая
фаза.
Система
становится
гетерогенной, образуются аэрозоли (туман, дым).
Замена
состава
растворителя.
среды
таким
Метод
образом,
что
оснсвэн
на
изменении
химический
потенциал
компонента в дисперсной среде становится выше равновесного и
тенденция
к
переходу
в
равновесное
состояние
приводит
к
образованию новой фазы.
Так может быть получен золь канифоли. Если насыщенный
раствор канифоли в этиловом спирте 8ЛИТЬ в боJ1ЬШОЙ объем
90ДЫ.
то
полученный
оказывается
агреiv1рованию
раствор
пересыщенным.
частиц
в
спирто-водной
Гiересыщение
канифоли,
система
гетерогенной, образуется коллоидная система
-
среде
приводит
1(
становится
золь канифоли
10
Таким
путем
могут
быть
получены
гидрозоли
серы,
фосфора, мышьяка и многих органических веществ.
ХимичесКИе МеТОДЫ создания iiересыщения Черезвычайно
разнообразны.
Любая
реакция,
приводящая
к
образованию
нерастворимого, а в случае конденсированных фаз и летучего
продукта (или, наоборот, нелетучего- при взаимодействии газов),
может
ИСПОЛЬЗОВатЬСя
образованию
золей
ДЛЯ
получения
при водят
коллоидной
различные
системы.
химические
К
реакции:
окисления-восстановления, обмена, гидролиза и др. Эти реакции
рассматриваются ниже.
Реакция
получить
обмена.
различные
галогенидов,
С
помощью
золи.
Этим
сульфидов
реакции
способом
оксидов
и
обмена
получают
гидроксидов
можно
золи
металлов
Характернь!м примером синтеза золей с использованием реакции
обмена является получение гидрозолей серебра. Эти золи часто
служат моделями при изучении различных коллоидных процессов.
АgNО з + КI 4'
Реакции
AgI..!, + КNО з .
восстановления.
Эти
реакции
лежат
в
основе
МНОГОЧ~1сленных методов получения золей золота и серебра при
взаимодействии
восстановителями:
солей
этих
металлов
фосфором (Фарадей),
с
различными
таннином (Оствальд),
формальдеП1ДОМ (3игмонди), ацетоном (Девис), например:
2Kau02 + ЗНСНО +
К 2 СО З 4'
+ 3НСООК + RНСО з + Н 2 О.
2Au +
Реакции
окисления
Они
широко
распространены
в
природе Примерам таких процессов является образование золя
при
взаимодействии
сероводорода,
растворенного
в
гидротермальных водах, с кислородом
Гидролиз
солей.
Процессы
гидролиза
солей
широко
распространены в природе и имеют важное значение в технике.
Эти процессы применяются для очистки сточных вод. Высокая
удельная поверхность образующихся при гидролизе коллоидных
гидроксидов
позволяет
Эффективно
адсорбировать
примеси.
Примером является реакция гидролиза хлорного железа.
0
FеСl з
100 с
3Н 2 О ~ Fе(ОН)з
+
+ 3HCI.
Строение мицелл различных залей.
Мицелла-
это
отдельная
частица
дисперсной
фазы
коллоиднсй системы с жидкой дисперсионной средой. состоящая
из кристаллического или аморфного ядра и поверхностного слоя,
включающего
сольватно
связанные
молекулы
окружающей
жидкости.
Рассмотрим образование мицеллы на примере
хлорида баР~1Я с сульфатом натрия
реакции
Избыток одного из компонентов действует как стабилизатор
лиозоля.
адсорбционный
слой
диффузный
слой
I
-11
- I
[mВаSО4пВа 2 +2(п-х)СI ] 2xCI
I
I
агрегат
частица
мицелла
Пусть В избытке находится
BaCI2. В начале образуется
агрегат мицеллы, являющийся мельчайшим кристалликом.
На
поверхности
кристалла
BaS04 имеются
места,
Схематическое
строение
мицеллы выглядит так:
KOTopble
ионы
Ва +. Вследствие избирательной
адсорбции
достраивают
СГ
занимают
2
ионной
СГ
вакантные
решетку.
эти
ионы
кристаллическую
Они
придают
положительный
заряд
поверхности ядра и называются
потенциалопределяющими
иона-ми (ПО - ионами). ИОНЫ СГ
обрэзовэвшиеся
имеют
диссоциации
заряд,
ПРОТИВОПОЛОЖНЬiЙ
противоионами
Под
заряду
действием
iiOBSPXHO\.,-ТИ
и
называются
электростатических
противоионы притягиваются к ядру. нейтрализуя его заряд
сил
ПРОТИ80ИОНЫ
противоионов
ядра,
8 тепловом
движении
Часть
находящихся в непосредственной близости от
(n-x),
связаны
находятся
с
ним
помимо
элекrростатических
сил
адсорбционными силами, образуя адсорбционный слой. Другая
часть
противоионов
движения
находящихся
вследствие
элекrростатического
и
одноименно
х,
заряженными
ионами,
теплового
отталкивания
находятся
на
между
некотором
удалении от ядра, образуя диффузный слой. Таким образом,
вокруг
мицеллы
стабилизирующий
ионов
и
существует
мицеллу.
противоионов
двойной
Заряды
полностью
элекrрический
слой,
потенциалопределяющих
скомпенсированы,
поэтому
мицелла элекrронеЙтральна.
Типы потенциалопределяющих ионов
Потенциалопределяющим ",оном может быть любой ион,
способный
достраивать
нерастворимого
кристаллическую
соединения.
Различают
решетку
три
типа
потенциалопределяющих ионов:
1)
ионы. одноименные с ионами агрегата
[ mFеРО4пРО4З-З(п-х)Nа+] 3xNa+
2) изоморфные ионы (т.е. ионы, имеющие близкое строение по
отношению к ионам кристаллической решетки)
[
mАglпСI-(п-х)К+] хК+
(иону
1 изоморфны
ионы галоидов
CI-. Br-):
3) органические ионы большого размера, обладающие высокой
адсорбционной
способностью
например
соли
кислот. Я8ЛЯЮ:..L:иеся ~таБИ!1изатора1\.1И латексов.
жирных
[
mПпRСОО-(п-х)Nа+
] xNa+
Принципы построения мицелл
1)
Агрегат мицеллы должен быть нерастворимыу соединением
2)
Потенциалопределяющими
образующие
дисперсную
ионами
фазу,
могут
быть
изоморфные
им
ионы,
ионы
и
органические ионы с высокой адсорбционной способностью.
З)
Противоионы
образуют
с
потенциалопределяющим
ионом
растворимое соединение.
4)
Мицелла в целом элекrронеЙТральна.
2. Экспериментальная
часть.
Оборудование и реактивы:
Конические колбы; химический стакан
бюретки
Пипетки
Кювета с плоско параллельными стенками
Проекционный фонарь ДЛЯ наблюдения конуса Тиндаля
Прибор
для
определения
знака
заряда
коллоидных
частиц
гидрозоля
Исходные растворы для получения коллоидных систем
Перед
проведением
работы
студенту
необходимо
выяснить
у
I1реnодавателя, какие именно золи он будет получать.
2.1.
2.1.1
Получение золей иодида серебра. В коническую колбу
из бюретки наливают
каплям.
Химическая КОJ:!денсация
при
1О
мл раствора иодида калия и медленно, по
интенсивном
взбалтывании
приливают
из
другой
бюретки
0,005
н
эквивалентных
раствор
количеств
нитрата
серебра.
реагирующих
При
достижении
веществ
в
колбе
образуется желто-зеленый хлопье6~iАный осадок r10дида серебра
под
почти
бесцветной
количество
раствора
проэрачной
нитрата
жидкостью.
серебра,
Отмечают
отвечающее
точке
эквивалентности.
В другую колбу к
приливают
раствор
1О
мл такого же раствора иодида калия
нитрата
серебра
установленного объема. В третью колбу с
калия
на
1О
мл
2
меньше
мл раствора иодида
при перемешивании быстро наливают раствор нитрата
серебра на
2
мл больше установленного эквивалентного объема.
Отмечают состояние зол ей , пслученных во второй и третьей
копбах (наличие
или отсутствие осадка),
наблюдают окраску
золей в проходящем свете и при боковом освещении.
Затем золи, полученные во второй и третьей колбах,
помещают в
u-
образные трубки, вводят в оба колена каждой
трубки ~лектроды и в течение
5
минут проводят электрофорез.
По просветлению золя у одного из электродов и отложению
дисперсной фазы на другом электроде определяют знак заряда
частиц обоих золей.
Для
Тиндаля,
того,
золи
чтобы
установить,
иодида
плоскопараллеЛЬНЫМ\II
серебра
стенками
и
даст ли
гидрозоль
наливают
наблюдают,
в
конус
кювету
появится
с
ли
опалесценция (конус Тlilloiдаля) при ПРОПУСl{аНИIiI сквозь кювету
светового луча проеtrционного фонаря. Для сравнения TCfr же"
опыт проеодят с кюветой, наполненной водой.
2 1.2.
Получение
золя
металлического
коническую колбу пипеткой вносят
2
мл
серебра.
В
раствора нитрата
1,7%
серебра и разбавляют дистиллированной водой до
100
мл Затем
8 колбу вводят 1 мл 0,1 % раствора таннина и затем 3-4 капли i %
раствора карбоната калия.
АgNО з
+
К2СО з ~
6AgOK +
AgOK +
+
C76HS2046
КNОз
3Н 2 О
+
СО 2 ,
~
6Ag +
+ С76Н52049 + 6КОН.
Получается
золь
металлического
серебра
красно-
коричневого цвета. Устанавливают, дает ли эоль конус Тиндаля.
2.1.3.
двумя
Получение золя диоксида марганца. Золь получают
способами.
По
первому
восстанавливают
тиосуЛЬфатом
пипеткой
5
вносят
мл
1,5%
способу
натрия.
раствора
мл
1,5-2
8КМПО4
1%
коническую
колбу
калия
и
50 мл. Затем в колбу
раствора тиосульфата натрия.
ЗNа2S20з
+
калия
перманганата
разбавляют дистиллированной водой до
вводят по капле
В
перманганат
+
Н 2О ~ 8МпО2
+
+ 3Na2S04 + 3K2S04 + 2КОН.
Получается
вишнево-красный
золь
диоксида
марганца.
Устанавливают как описано выше, дает ли золь конус Тиндаля.
По второму способу
концентрированным
перманганат калия восстанавливают
раствором
аммиака.
5
мл
1,5%
раствора
перманганата калия разбавляют водой до 106 мл и нагреваю,..·до
кипения.
В
течение
(r-риблизительно по
15
0,5
мин
мл)
5
вводят
небольшими
порциями
мл концентрированного раствора
аммиака
Образуется
красно-коричневый
золь
диоксида
марганца Устанавливают, дает ли золь конус Тиндаля.
Получение
2.1 4
золя
меди(П)(желеэисто-синеродистой
К4[Fе(СN)6] разбавляют до
разбавленный
CuS04
при
раствор
100
меди).
железисто-синеродистой
мл
0,5
20%
раствора
мл дистиллированной водой
прибавляют
перемеwивании.
iексациано-(П)феррата
3-4
капли
Образуется
меди.
10%
раствора
красно-бурый
Устанавливают,
дает
В
золь
ли
золь
конус Тиндаля
2.1 5.
мл
20%
Получение золя гексациано-(П)феррата серебра
раствора К4[Fе(СN)6] разбавляют водой до
20
раствору добавляют по каплям, при взбалтывании,
раствора
нитрата
серебра. Образуется
2
мл. К этому
1
мл
1.7%
опалесцирующий,
с
зеленоватой окраской золь гексациано-(П}феррата серебра
2.2
Физическая конденсация
Получение
2.2.1.
содержащую
спиртового
50
золя
канифоли.
коническую
8
мл дистиллированной воды, наливают
раствора
канифоли
и
встряхивают.
5
колбу,
~,nл
2%
Наблюдают
окраску золя в проходящем свете и при боковом освещении и
устанавливают, дает
11\11
золь конус ТИl-lдаля.
2 2 2 ПО11учение ЗО11Я серы
воды добавляют
::аг:эльнvщы).
1
К
50 мл дистиллированной
мл насыщенного раствора серы в ацетоне (из
Образуется
голубоsато-беr.ыЙ
ог:алесцирующий
З0ЛЬ cep~1 в воде
2.2.3
0i0
о{апГоЯМ
Получение золя парафина
i1рИ
в~баГiТЫ8а'"!iAИ
1
!viЛ
К
50
мл 60ДЫ добавляют
наСl:>iw€ЧНОГО
раствора
1t!
Ilарафина в этиловом спирте. Получается опалесцирующий золь
парафина в воде.
2.3.
2.3 1.
Получение золя
колбу емкостью
Гидроксид
водного
гидроксида железа.
мл наливают
250
и затем добавляют
(Ш).
Пептизация
5
мл дистиллированной воды
мл насыщенного раствора хлорида железа
железа
аммиака
100
В коническую
до
осаждают,
вводя
образования
небольшой
рыхлого
избыток
осадка.
Путем
многократной декантации осадок тщательно отмывают от избытка
осадителя (до полного исчезновения запаха аммиака). доводят
объем в колбе до 200мn и добавляют пептизатор- примерно
2
мл
насыщенного раствора хлорида железа (Ш). Содержимое колбы
нагревают
на
исчезновения
водяной
бане.
периодически
осадка.
ПОЛУ'-lается
взбалтывая.
ВVlшнево-краСНDiЙ
до
золь
гидроксида железа. Устанавливают, дает ли золь конус Тиндаля.
2.32
Получение золя
стакан пипеткой вносят
и прибавляют
0.5
1,5
мл
берлинской лазури.
20%
В
небольшой
раствора желтой кровяной соли
мл насыщенного раствора хлорида железа (ПI).
Выпавший осадок берлинской лазури переносят на складчатый
фильтр,
промыsают
заливают на фильтре
быстро
водой
0.1
пептизируется
и
после
удаления
промывных
вод
н раствором щавелевой кислоты Осадок
щавелевой
кислотой,
и
через
фильтр
проходит СИf-lИЙ золь берлинскоii\ лазури. Устанавливают, дает ли
золь конус Тиндаля
3~[Fе(СN)в]
+ 12KCI
+ 4FеСl з ~ Fе4[Fе(СN)в]з
+
1'.9
Получение
233
золя
фОСфата
железа
(Ш)
мл
5
насыщенного раствора хлорида железа (Ш) раЗбавляют водой до
50
мл.
К
этому
взбалтывании,
раствору
прибавляют
раствор
10%
по
каплям,
при
Na2HP04 до тех пор, пока не
перестанет
растворяться
выпадающий
Образуется
зеленоват0-5елесый
золь
фосфат
железа
(Ш).
фосфата
железа
(IП).
Устанавливают, дает ли золь конус Тиндаля.
2.3.4.
Получение золя гидроксида алюминия.
Гидроксид
алюминия получают при взаимодействии хлорида алюминия с
карбонатом аммония двумя способами. По первому способу
30%
раствора хлорида алюминия разбавляют водой до
этому
раствору
прибавляют
встряхивании, около
тех
пор,
пока
3
мл
20%
выпавший
по
каплям,
при
100
5
мл
мл. К
энергичном
раствора карбоната аммония до
осадок
гидроксида
алюминия
не
растворяется уже с трудом. При этом образуется бесцветный
опалесцирующий
золь
гидроксида
алюминия.
Устанавливают,
дает ли золь конус Тиндаля.
По
второму
способу
1О
аммония разбавляют водой до
добавляют при взбалтывании
алюминия.
Образуется
гидроксида
алюминия.
мл
100 мл.
5-1 О
раствора
20%
карбоната
К разбавленному раствору
капель
бесцветный
30%
раствора хлорида
ОГlалесцирующий
Устанавливают,
дает
ли
золь
золь
конус
Тиндаля.
В отчете о работе приводят краткое описание способа
получения
золя,
записывают
мицеллы
отмечают
цвет
химическую
золя
и
реакцию,
формулу
наблюдаемые
свойства
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Н2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ
2
КОЛЛОИДНЫХ
СИСТЕМ, ПОДЧИНЯЮЩИХСЯ УРАВНЕНИЮ РЭЛЕЯ,
ТУРБИДИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ.
Цель работы
Определение оптической плотности латекса и вычисление
радиуса глобул по уравнению Рэлея.
1.
Теоретическая часть
Знание
потому,
оптических
что они
свойств
коллоидных
позволяют изучить размер,
систем
форму,
важно
строение
коллоидных частиц и взаимодействие между ними. Оптические
свойства
неразрывно
свойствами,
связаны
изучение
количественному
с
оптических
толкованию
таких
молекулярно-кинетическими
свойств
способствовало
I1роцессов,
как диффузия,
броуновское движение, ~диментация.
Явления. наблюдаемые при взаимодействии ВИдимого света
с веществом.
Преобладание
того
или
иного
явления
зависят
соотношения между размером частиц а и длиной волны света
1) Прохождение света. Наблюдается в случае а «,1, .
~
.ln
от
...t.
21
Свет
проходит
без
изменения
направления
и
интенсивности, что наблюдается ДЛЯ оптически однородной
среды.
Под
одинаковые
оптической
значения
разных точах среды.
коэффициента
понимают
преломления
в
(n=const).
2) Поглощение света
группы,
однородностью
1'1 > 10'
наблюдается
Если есть хромофорные
избирательное
поглощение
некоторых длин волн и появляется окраска (а «
Л
).
3) В грубодисперсных системах а »).. существует граница
между двумя средами и наблюдается явление отражения и
преломления света.
4) Рассеяние света. а::::::
0.1..1
СущесТ 9ует Д99 вида рассея"lИЯ
а) При релеевском рассеянии среда является оптически
неоднородной, распространение света сопровождается его
рассеянием
вследствие
преломления.
Рассеяние
показателей
различия
мутными
средами
является
интенсивным.
б) Молекулярное рассеяние
-
характерно для истинных
растворов 11 газов. Оно происходит за счет флуктуации
ПЛОТНОСТИ В газах и ЖИДКОСТЯХ, флуктуации концентрации в
растворах.
приводит
РассеЯl;ие
к
мутности
светэ
коллоидным\It
наблюдаемое
в
виде
систе.о/1ами
Эффеt<Тэ
ТИНдаJlЯ
Для рэлеевского рассеяния соблюдается закономерность
1() и 11/ - интенсивность
-
толщина образца,
первичного и проходящего пучков, е
r - мутность.
Основы теории светорассеяние заложил Рэлей в
рэлеевском
рассеянии
поглощение = О, т е.
10
выполняются
два
условия
1871 г.
А.
При
= const ,
=1n
Физическая сущность релеевского рассеяния.
Световая волна
-
это переменное электромагнитное поле,
которое наводит или индуцирует диполи в атомах и молекулах, в
системе возникают переменные (осциллирующие) диполи и они
являются источником вторичныx волн. Таким образом, падающие
и рассеянные волны являются вторичными. Диполи колеблются с
той же частотой, что и падающая волна.
В
оптически
хаотически
волн
неоднородной
однородной
среде
гасят
друга
среде
друг
n
* const
и
диполи
Jо
расположенных
=I n .
полного
В
оптически
поглощения
не
про~~сходит
Для
тока,
сферических
малых
частиц,
по сравнению
не
проводящих электрического
с длиной
волны,
в
разбавленном
растворе справедливо соотношение, установленное Рэлеем.
1,.
- 24'
-
(n-'+ 2n-',2) \.-, 1
111- - ПО
1l' -,----,
1
(t
~,
'-.-,-' ()
A.~'
(2)
где I p -
интенсивность рассеянного света,
10-- интенсивность
падающего света, л- длина волны света. "1 и "2- показатели
преломления
численная
дисперсной
концентрация.
фазы
л-
и
длина
справедливо для частиц диаметром
света
соответствует
большое
0.1 А
значение
дисперсионной
При
волны.
40-70
v-
выражение
нм. что для видимого
увеличении
приобретает
Это
среды,
диаметра
частиц
отражение
света.
Проаналиэируем выражение Рэлея.
1) Так как I p = f(y2). то в разбавленных растворах можно
определять численную концентрацию коллоидных чаСТI-Щ
2)
I p = kv ·v ·10' При постоянной массовой конценрации
2
уменьшим объем частицы в х раз. Тогда у увеличится в х
С масс =const
раз.
уменьшение обьема частицы в х раз вызывает уменьшение
интенсивности рассеянного света не в х 2 , а в х раз. При
коагуляции коллоидных систем увеличение объема частиц
вызывает увеличение интенсивности рассеянного света.
3)
1и =
,
f ( -1'\1.
\.АЧ )
Поэтому В случае видимого света синие лучи
лучше рассеиваются. краСНЫе ЛУЧШе проходят
I
4)
1}'
.. 2
= j lI и·~
fll
"1
от
I
"
"'n·
•• 2 \2
-
...
flo
Зависимость интенсивности рассеяния
'- Q j
разности
показате,,'1ей
преЛО~,,1ления
среды
и
фазы
приводит к тому, что при П1=ПО образуются прозрачные. не
рассеивающие свет системы, например, эмульсия глицерина в
четыреххлористом
углеводороде.
Это
имеет
большое
значение для определения молекулярной массы сополимеров,
состоящих из полимерных отрезков (блоков), образованных
(блоксополимеров ).
мономерами
разными
растворитель,
показателю
показатель
преломления
преломления
одного
из
Подбирая
которого
блоков,
равен
делают
его
невидимым. Тогда легко определяется молекулярная масса
другого блока. Этот метод получил широкое распространение
и называется методом невидимок.
5)
Установлено, что поглощение света дисперсными системами,
как и в случае истинных растворов подчиняется закону Бугера­
Лам6ерта-Бера:
(3)
где
интенсивность падающего света,
10-
прошедшего
света,
с-
концентрация,
1-
Inp-
интеf.iСИВtolOСТЬ
толщина
слоя,
g-
молярный коэффициент поглощения.
1
ln-ulnp
1
= 2,31g-U = r.cf
(4)
I np
другими характеристиками поглощения являются оптическая
плотность
D
= ig ~
1;;р
(5)
И светопропускание Т
= -11 . 100%
l'
(6)
Уравнение Бугера-Ламберта-Бера описывает ослабление
пучка света при прохождении через поглощающее вещество
В
ИСТИННЫХ растворах это ос.паб.пение происходит то.пько за счет
пог.пощения.
В коллоидных растворах ослабление пучка света может
проходить
за
счет
поглощения
и
рассеяния
света.
Тогда
уравнение принимает вид
1пр
=1ое -(k+;)cf ,
(7)
где
k- коэффициент ослаб.пения
света вследствие рассеяния, Т.е
фиктивной абсорбции света. Ес.пи g
=0,
то ослабление света
происходит только вс.педствие фиктивной абсорбции:
т"пр
--"о
1 e- kcf
(8)
Следует отметить, что в отличие от истинной абсорбции
света,
когда
световая
превращается
в
энергия
абсорбируется
тепловую,
абсорбция,
системо~
и
вызванная
светорассеянием, называется фиктивной.
В
курсе
ко.плоидноЙ
химии
рассматриваются
такие
оптичеСКi'lе методы анализа дисперсности как: турбидиметрия,
нефелометрия.
световая.
темнопольная
и
электронная
микроскопия
Рассмотрим
более подробно турбидиметрический
метод
определения размера частиц, при котором измеряют ослабление
интенсивности света. прошедшего через дисперсную систему
в
качестве прибора
измерений
можно
ДЛЯ
проведения турбидиметрических
использовать
фотоэле~'Троколориметры,
широко
распространенные
предназначенные
ДЛЯ
определения
оптической плотности растворов. Метод турбидиметрии основан
на том, что при прохождении света через коллоидный раствор,
содержащий малые прозрачные частицы, поглощение практически
отсутствует и ослабление интенсивности падающего света равно
полной интенсивности света, рассеянного КОЛЛОИДНЫМ раствором
во
всех
направлениях
содержащих
частицы
с
(полное
светорасс;;еяние)
размерами
значительно
Для
систем,
меньше
длины
световой вопны, величина полного светорассеЯl-lИЯ подчиняетс~
уравнению
Рэлея.
калориметром
В
этом
ослабление
случае,
измерив
интенсивности
фотометром
падающего
или
света
и
воспользовавшись уравнением Рэлея, можно определить средний
размер частиц.
Рассмотрим поглощение света 1 см 3 вещества, при Р = 1
€=O.
тогда уравнение
(8)
примет вид
1IIР
10
I
I
I
I op
.).:1".I V~
у/
!
/
Закон
1
-kc
ln ~ == -kc
1(;
энергии
в
ПРIIIВОДИ Т
1{
сохранения
данном
случае
(9)
равенству
~
1",,+1"<1((
где
cootbeTCtbeHt-IО прошедшеro
= 1ое
= 10'
I np , I pacc • 10-
рассеянного
tI!
интенсивности
падающего света.
Преобразуем это уравнение, поделив на
1"р
-
10
1fЮСС
1fЮСС
10
10
+ - - = 1, - - =
т, где
'r-
Io'
мутность.
(10)
1'1P
I l1р
= 1- т ; ln - = ln(l- т).
10
10
I np
с другой стороны, In = -kc , следовательно, T=kc
10
-
(11)
Запишем уравнение в общем виде: 1"1' = 1о е -kcf. ,
I"P
10
-=е
-kcf-
-rf
=е.
Выразим т через оптическую плотность:
ig.!L = D = т· f ; т =
I np
2,3 D .
(12)
f
2,3
Для дисперсных систем со сферическими частицами уравнение
Рэлея можно написать в виде:
1расе
1
'74 3( n!2- n22 J2 • С _ . v
= т = =-...!!.,
2
4
А.
f)
где I paccсистемы;
+ 2n.
,n1_
00
(13)
'
полная интенсивность света, рассеянного 1 см З
Соб-
объемная доля дисперсной
фазы,
у-
объем
частицы. см 3 .
"-~.~ __ ..
~ ..... ~ _.....~~_ .._. v"5....... ~_ ....
IVIvJI\nv COI"1 ...
Vf'-rtV.с-\а
'-'J'r"IО
ОСМ ..,аv.t'.ч
J,7 _
-
~
т
1
С",;
k
~.-,
\'14'}
(15)
Уравнение
Рэлея
справедливо
лишь
для
разбавленных
растворов, так как оно не учитывает вторичного рассеяния света и
взаимодействия
между
частицами.
размера частиц следует найти
•
Поэтому
для
определения
для ряда растворов с разной
кратностью разбавления и экстраполировать величину '/С06=О.
[Т] = lim(-i-)
Q6
(16)
СoF> ~O
Весьма удобным объектом исследования оптических свойств
коллоидных систем
гидрофобных
являются латексы,
золей.
трехкомпонентными
Они
системами,
представляющие
являются
состоящими
модель
двухфазными
из
полимерных
частиц ультрамикроскопических размеров, взвешенных в серуме­
водном
растворе
применяют
стабилиэатора.
различные
В
качестве
поверхностно-активные
жирных кислот и сульфокислот)
2.Экспериментальная часть
Оборудование и реактивы:
Фотоэлектрический колориметр типа КФК-З
Пипетки емкостью
Мерные колБы на
1, 3, 5
50
мл
_.Фильтровальная бумага
Исследуемый раствор
мл
(4
шт
)
стабилизатора
вещества
(соли
2 1 Порядок выполнения работы
От
преподавателя
известным
содержанием
разбавленных
проводят
отбирают
получают
полимера
раствора.
следующим
1,
2,
4,
В
работе
образом.
6
синтетический
мл
Из
И
и
с
из
нею
латексом
исходного
разбавляют
латекс
с
готовят
4
разбавление
латекса
0,5%
их
до
50
мл
дистиллированной водой. Сразу после приготовления растворов
следует промыть пипетки.
Измерение
оптической
фотоэлектрическом
светофильтра.
плотности
колориметре
Ниже
оГ!исаны
типа
осуществляется
кФк-з
устройство
с
на
применением
фотоэлектрического
колориметра типа кФк-з и порядок работы на нем.
Принцип
действия
колориметра
состоит
в
измерении
\oIнтенсивности света. проходящего через ц:ювету с исследуемым
раствором, и сравнении этой интенсивности с интенсивностью
света.
проходящего
через
такую
же
кювету
с
растворителем.
Световые лучи проходят от лампы накаливания через ОПТИl.lескую
систему,
кювету
с
раствором,
селеновый элемент,
зависимости
от
светофильтр
включенный в
степени
и
падают
цепь микроамперметра.
поглощения
световых
на
В
лучей
исследуемым раствором, от интенсивности света, падающего на
элемент,
ток,
возникающий
в
фотоэлементе,
вызывает
соответствующее отклонение стрелки измери:ельного прибора
1)
Работа на приборе производится следующим образом
1)
УстаНОSИТD
растворителем
отношению.
к
а
или
кюветное
отделение
контрольным
которому
производится
кюветы
раствором
измерение.
с
по
и
30
исследуемым
раствором.
контрольным
раствором
Кювету
с
растворителем
установить
в
дальнее
или
гнездо
кюветодержателя, а кювету с исследуемым раствором
-
в
ближнее гнездо КIOветодержателя.
В световой пучок
(рукоятка
4-
-
установить кювету с растворителем
влево до упора) Если измерение проводится
относительно воздуха, например, для образца из стекла
или
другого
прозрачного
материала,
то
в
этом
случае
дальнее гнездо кюветодержателя должно быть свободным.
2)
Установить
ручкой
2
длину
волны,
на
которой
ПРО80ДЯТСЯ измерения раствора. Длина волны высветится
на верхнем цифровом табло.
Примечание. При работе на длине волны
возможна
нестабильная
работа
400
фотометра.
нм
Во
избежание
этого устанавливайте длину волны
(400±2)
нм, где
стаБИЛЬНОСТI:: работы Вас устроит.
З)
При закрытой
клавишу
«Г».
крышке кюветного
На
нижнем
отделения
цифровом
табло
нажать
слева
от
мигающей запятой высветится символ «Г». Нажать клавишу
«П»
или·' «Е».
Слева
от
мигающей
запятой
высветится
соответствеНно символ .{(П» ИЛИ «Б>, а справа от мигающей
запятой- соответственно значения
±О.ОО2»,
означающие,
(100,0%)
или оптичесКОЙ плотности
фотометре правильно.
что
«100,0 ±0,2» или «0,000
начальный
отсчет пропускания
(0,000)
установился на
31
Если
отсчеты
.«100,0
:1:0,2»
или
«0,000
±0,О02»
установились с большим отклонением, нажать на клавиши
«Г», «П» или «Е}} повторно, соблюдая небольшую паузу
(3-5 с)
Открыть крышку кюветного отделения и нажать клавишу
НУЛЬ, закрыть крышку, нажать клавишу Пили Е.
Примечание. Для проверки правильности учета
«нуля» откройте крышку кюветного отделения, при этом
отсчет на табло должен быть (0,00 ±0,02).
4)
Затем рукоятку
4
установить вправо до упора, при
этом в световой пучок вводится кювета с исследуемым
раствором. Отсчет на световом табло справа от мигающей
запятой соответствует коэффициенту пропускания или
оптической плотности исследуемого раствора.
11.1.5.
Повторить операции по ПП.
1) - 4) три
раза,
вычислить среднее арифметическое значение измеряемой
величины.
2.2.
Расчет размеров частиц
Экспериментальные и расчетные данные оформляются в
виде таблицы
1.
Таблица
1.
Форма записи данных для расчета t/Соб
I
г
,
I
Разведение
I
D
I,
С масс ,
г/см
Соб,
3
см полимера
3
I . II
"
см·1
3
см системы
По
экспериментальным
результатам
т./Соб
I
вычисляют
средний
радиус глобул латекса.
1)
Рассчитывают
величину
объемных концентраций
массовых
концентраций
(Соб) для
каждого
(Смасс)
разведения
И
по
известному содержанию сухого остатка и плотности полимера.
2)
Рассчитывают величину "с для всех разведений по формуле
(12) приf
=1.
3)
Рассчитывают значение 'С/Соб.
4)
Строят
график
в
координатах
t/Соб
от
Соб
И
путем
экстраполяции I-iаходят величину Т!СОб при Соб=О
5)
Вычисляют
л
значение А
величину
k
по
формуле
(15),подставив
в
нее
А,ви..
= --.
112
6)
Рассчитывают объем глобул
V по уравнению (14), подставив в
него значение -О:/Соб при Соб=О.
7)
PaCC'-iитывают радиус глобул латексов по формуле
r
/зv
-1'
-V4Jr
(17)
33
Необходимые
ДЛЯ
расчета
значения
плотности
и
показателя преломления полимера и воды приведены в таблице
2.
Таблица
2.
Плотность и показатель преломления объектов исследования
Полимер
Плотность, г/см 3
Показатель преломления
СКН-З0
0,9326
1,5350
скс-зо
0,93
1,545
0,9929
1,5520
0,9130
1,5190
1,2300
1,5580
1,0000
1,3330
с КС-50
I
нк
!
Л-7
Вода
I
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Н23.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ, НЕ ПОДЧИНЯЮЩИХСЯ
УРАВНЕНИЮ РЭЛЕЯ, ТУБИДИМЕТРИЧЕСКИМ
МЕТОДОМ
1.
Теоретическая часть
Интенсивность света, рассеянного разбавленной дисперсной
системой,
а также
угловое
распределение
рассеянного
света
(индикатриса рассеяния) зависят от значений двух безразмерных
параметров а и
z.
Параметр а хараl<теризует отклонение свойств
частицы от свойств среды и определяется уравнением
a=~(m: -11),
4к
где
m=П1/П2-
(18)
m- + 2
отношение
показателя
преломления
дисперсной
фазы к показателю преломления дисперсной среды.
Параметр
z характеризует отношение радиуса частицы r к
длине волны л.:
(19)
Для частиц, размер которых не превышает
падающего
света,
при
условии
отсутствия
1/20 длины
поглощения
вторичного светорассеяния справедливо уравнение Рэлея.
волны
света
и
зs
Для частиц, размер которых равен длине световой волны
или больше ее, определение размеров частиц по светорассеянию
МОЖеТ
быть
ОСУЩествлено
ИСХОДЯ
из
общей
теории
светорассеяния.
В
случае,
когда
радиус
частиц
составляет
от
одной
десятой до одной третьей длины световой волны и показатели
преломления частиц и среды не слишком различаются (т<1,5),
определение
размеров частиц дисперсных систем
проводят по
методу к.с. Шифрина и И.Я. Слонима. Согласно этому методу,
мутность зависит ОТ пара метров а И
1
а-
т=-С
,1
Z следующим
образом:
.m(z) ,
(20)
06'"
(21)
где Т- мутность системы, см-\ Соб- объемная доля дисперсной
фазы; [Т]- характеристическая мутность (см. формулу
(16»; <p(z)-
функция, значение которой при
приведены
в таблице
в пределах от
2
ДО
8
1.
При
Рэлея, при
z
z s; 2
z ;:: 8
(т.е.
(т.е. г;::
Зависимость
r
$
0,08)
0,32)
можно использовать ypaBHeH~1e
частицы видны в микроскоп.
мутности
от
параметра
описывается
z
у'раВtiением
r
С= const .~.
,. z"
(22)
Значение показателя преломления
свою
очередь
зависит
от
z.
с
n
в этом уравнении в
увеличением
z
значение
n
36'
уменьшается, стремясь в пределе к
больше
ДЛИНЫ
волны.
При
малых
уравнение Рэлея и п::::4. Зl-tачения
таблице
2
n
для частиц, радиус которых
значениях
для
от
z
z соблюдается
до
2
приведены э
8
2.
Исходя из теории Шифрина, можно определить размер
частиц по характеристической мутности. Для этого так же, как и в
предыдущей работе, измеряют значение оптической плотности
серии
разбавленных
уравнению
(12).
растворов
и
вычисляют
мутность
D
по
С помощью графической экстраполяции находят
значение характеристической
мутности.
Подставляя
значение [Т], а таюке значение а. И /с В формулу
(21),
найденное
определяют
q>(Z) и по таблице 1.- значение z. По уравнению (19) вычисляют
радиус частиц г.
С увеличением размеров частиц закон Рэлея перестает
соблюдаться,
и
интенсивность
рассеянного
света
становится
обратно пропорциональной длине волны в степени меньшей, чем
четвертая. Если размер (диаметр) частиц составляет от
1/10 до 1/3
длины световой волны и показатели преломления частиц и среды
не сильно различаются, для описания светорассеяния в системе
можно воспользоваться эмпирическим уравнением, предложенным
Геллером:
D = kJ...где
k
и
k'-
1I
И
Т
= k'J...-JI .
(23)
константы, не зависящие от длины волны.
Зависимость
уравнениями
(23)
IgD
(или
IgT)
от
Igj,
в
соответствии
с
представляет собой прямую линию, тангенс угла
rtаклона которой равен показателю степени
nс
минусом. Значение
показателя
n
в этих уравнениях зависит от соотношения между
размером частицы и длиной падающего света, характеризуемого
параМеТРОМ
z (19).
Показатель степени
турбидиметрических
n
в уравнении
данных.
Для
(23)
находят на основе
этого
экспериментально
измеряют оптическую плотность системы при различных длинах
волн
и
строят
график
в
координатах
IgD-lg},.
Показатель
n
определяют по тангенсу угла наклона полученной прямой. По
значению
табл.
2.),
n
находят соответствующее значение параметра
а затем по формуле
(19)
z
(см.
рассчитывают средний радиус
частиц исследуемой дисперсной системы.
Следует отметить, что этот метод, как и уравнение Рэлея,
применим только для "белых" золей, то есть для дисперсных
систем,
не
поглощающих свет
(метод базируется только
на
светорассеянии).
2.
Экспериментальная часть
Оборудование и реактивы:
Фотоэлектрический колориметр
Мерные колбы на
Стабилизатор,
1%
100
мл
раствор
Исследуемый высокодисперсный золь
2.1
Определение среднего радиуса частиц по
характеристической мутности
Описание прибора и порядок работы с ним приведены в
работе t~2 .•
Для
раствора
измерения
оптической
плотности
различных
концентраций.
готовят
Измерение
четыре
оптической
плотности проводят по методике, указанной в работе N22.
Расчет
среднего
радиуса
частиц
проводят
следующим
образом.
1)
Находят [Т], как описано в предыдущей работе в п.
2)
Вычисляют значение а И А. = лвш: .
3)
По уравнению
4)
Из таблицы
n2
(20)
1.,
По уравнению
вычисляют значение функции
<p(z).
применяя интерполяцию, находят значение
соответствующее
5)
1-4.
<p(z).
(19)
вычисляют средний радиус частиц г.
Таблица
Связь между функцией светорассеяния
пара метром
Ii
I
II
I
I
z
I
<p(z)
I
Ii
!
z
Разность
,.
n
3,812
28,36
3,686
74,66
35,14
3,573
I 109,8
150,5
40,7
3,436
25,12
2,5
46,30
3,0
3,5
I
44,5
4,5
I 195,0
46,6
3,121
5,0
241,6
47,4
2,960
5.5
289,0
46,9
2,807
6,0
335,9
45,3
2,659
6,5
381,2
44,3
2.533
4,0
1.
<p(z),
и показателем преломления п.
21,18
2,0
z,
t
3,284
I
I
Разность
,.
z
2,0
0,126
2,5
I
I
I
!
0,113
0,137
I
0,161
0,153
0,148
0,126
3,0
3,5
0,152
0,163
!
!
4,0
4,5
5,0
t:t:
..J,..J
6.0
6,5
!
З9
,..
7,0
425,5
44,2
2,457 -,-
0,076
7,5
469,7
41,9
2,379
0,078
7,5
8,0
511,6
2,329
0,050
8,0
Разности приведены
в таблице для того, чтобы облегчить
интерполяцию.
2.2.
определение среднего радиуса частиц по зависимости
мутности от длины волны
Сначала измеряют оптическую плотность золя (латекса) с
помощью
.фотоэлектроколориметра,
используя
фильтр
N23.
Значение оптической плотности латекса должно находиться в
пределах
больше
0,70-0,95. Если значение D образца меньше или
указанных,
уменьшить
следует
соответственно
концентрацию дисперсной фазы
определяют
оптическую
плотность
увеличить
в латексе.
образца
или
Затем
латекса
различных длинах волн Гlадающеrо света (светофильтры
при
N23--9).
При каждой длине волны оптическую плотность измеряют три
раза и определяют среднее значение О. Значение длин волн,
соответствующие светофильтрам прибора ФЭК-56М, составляют:
N2
I
светоф
~
з
I
I
4
5
I
6
I
7
I
8
I
9
I~I~I~!~I~I~I~
Далее находят значение IgAвaK и
координатах
igDcp
_ Ig),взх и определяют показатель степени
уравнении
(23).
iрафИк
KOopA~iHaTax
<>
По данным таблицы
соответствующее
IgDcp , строят график в
z-n)
ранее
1.
находят
в
(предварительно строят
значение
определенному
результаты записывают в таблицу 2.
n
п.
параМ6тра
Z,
Полученные
По уравнению
Следует
учесть,
рассчитывают радиус частиц латекса
(19)
что
при
расчете
r
в
уравнение
(19)
нужно
подставить среднее значение длин волн л.ср в том интервале, в
котором определялся показатель степени п. Величину t-cp находят
по соотношению
(24)
Найденное значение
r
соответствует среднему радиусу частиц
латекса.
Таблица
l~вaK ,нм
Igл.
D
О ср
IgDcp
n
z
2.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
N24
СЕДИМЕНiАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ.
Цель работы
Исследование кинетики седиментации суспензии методом
непрерывного взвешивания осадка; определение фракционного
состава и других гранулометрических характеристик суспензии.
1.
Теоретиче?кая часть
В
микрогетерогенных
седиментация,
т.е.
и
осаждение
грубодисперсных
частиц
системах
дисперсной
фазы
наблюдается в гравитационном поле. Наблюдение за скоростью
седиментации
в
суспензиях
позволяет
сравнительно
легко
и
уде.бно определять размер частиц, т.е. дисперсность, которая
является наиболее информативной характеристикой дисперсной
системы,
определяющей
следовательно,
ее
физико-химические
технологические
практического применения.
качества
Применяющиеся
свойства,
и
при этом
а,
область
методы
получили назваl-lие методов седиментационного анализа.
Оседание
силы тяжести
f,
частиц
суспензии
Архимеда составляет:
4
.)
под действием
которая с учетом поправки на потерю в весе по
закону
f = -::; Д. r
происходит
:;
(р - Po)g .
где г- радиус частицы, р- плотность частицы; ро- плотность среды.
g- ускорение
Оседанию
силы тяжести.
противодействует сила трения
f'.
Согласно
закону
Стокса, сила трения для сферической частицы равна:
f'
где
11-
= 6tr . r ТJU '
вязкость среды;
u-
скорость движения частицы. Вначале
частица движется ускоренно, так как сила тяжести превышает силу
трения. Однако по мере увеличения скорости движения растет и
сила
трения,
и
в
некоторый
момент
времени
сила
трения
fравновешивает силу тяжести, вследствие чего частица начинает
двигаться с постоянной скоростью.
~
4
Из равенства -
3
tr . r~ (р - Po)g == 6tr . r ТJU
(25)
легко найти скорость седиментации частицы:
2r 2
u ==-(p-Po)g
(26)
917
Согласно уравнению
пропорциональна
(26)
скорость седиментации частицы прямо
квадрату
радиуса
частицы,
обратно
проГ!орциональна вязкости среды и зависит от разности р-ро так,
что при Р>РО происходит оседание, а при р<ро всплывание частиц­
обратная седиментация.
Уравнение
(25)
позволяет определить радиус частицы по
формуле:
(27)
OAl4aKO расчет размера частиц по уравнению (27) возмОжен
только в том случае, когда соблюдаются условия Применения к
ИЗУ"iаемой системе закона Стокса. Эти условия следующие:
1.
Скорость
оседания
частицы
должна
быть
ПОСТоянной.
Следовательно, время нарастания скорости до ПОСТОЯнного
значения должно быть настолько мало, чтобы не оказывать
влияние
на
результаты
седиментационного
анализа.
Это
условие практически соблюдается для частиц размером от
0,1
2.
до
100
мкм
Частицы должны иметь сферическую форму. Если частицы
имеют
форму,
вычисляется
не
отклоняющуюся
от
действительный,
а
сферической,
лишь
то
некоторый
эффективный радиус, соответствующий радиусу сферической
частицы вещеотва, оседающей с той же скоростью
Такой
радиус называется эквивалентным.
з.
Оседающие частицы должны бьггь твердыми. Для суспензий
это условие всегда ВЫnОЛl-iяется. При анализе ЭМУ!1ЬСИЙ в
уравнение Стокса ДОЛЖНЫ быть введены поправки.
4
Частицы
должны
полностью
смачиваться
ЖИДКОСТЬЮ,
в
которой они оседают. В этом случае на поверхности твердых
частиц
образуется
перемещающийся
слой
вместе
происходит скольжение
из
с
между
молекул
частицей.
двумя
При
жидкости,
движении
слоями жидкости
и
в
уравне~ии Стокеа величина ~ действительно представляет
собой коэффициент вязкости жидкости
5.
На оседание отдельной частицы не должны влиять соседние
частицы. Для того чтобы избежать взаимного влияния частиц,
необходимо
проводить
седиментацию
в
достаточно
разбавленных суспензиях (с концентрацией не выше
6.
Скорость
оседания
определенного
частиц
предела,
иначе
не
должна
вблизи
0,5-1%).
превышать
частицы
возникает
турбулентное движение жидкости и зависимость, выажаемаяя
уравнением Стокса, не соблюдается.
Рассмотрим
состоящих
из
теперь
множества
седиментацию
частиц.
дисперсных
Монодисперсная
состоит из одинаковых по размеру частиц
систем,
суспензия
Поскольку скорость
оседания таких частиц одинакова, то монодисперсная суспензия
будет отстаиваться равномерно. Образующаяся при этом четкая
граница
раздела
смещаться
на
суспензии
некоторое
и
осветлившейся
расстояние
Н,
среды
будет
пропорциональное
времени оседан",я т. В этом случае ,=!<орость оседания данной
суспенэии
u
можно выразить так:
н
И=-,
а радиус частиц:
,{Н
r
где
= K V-;'
/9
V2
(28)
17
k = 1-· ----=--(р- Pl)),~
По уравнению
(28)
(29)
легко вычислить радиус частиц суспензии
по результатам наблюдения за ее оседанием визуально. Скорость
седиментацvlИ
монодисперсr'ОЙ
суспеhЗv1И
МОЖl10
определить.
наблюдая
за
оседанием
какой-нибудь
одной
из
ее
частиц в
микроскоп,
В природе и технологических процессах редко встречаются
монодисперсные
Обычно
системы
полидисперсными системами,
дело
имеют
с
которые состоят из различных по
размеру частиц, радиусы которых могут иметь любое значение в
определенном интервале
систем
применяют
Для характеристики полидисперсных
так
называемые
интегральные
и
дифференциальные функции распределения
Интегральная
содержание (8 вес,
функция
%)
распределения
Ф(г)
8 суспензии частиц данного
показывает
r
и большего
радиуса, Описывающая эту функцию интегральная кривая (рис.
2) позволяет быстро находить в данной дисперсной системе
весовое содержание любой фракции частиц.
Ес."'!и требуется,
например, определить весовое содержание в системе частиц с
радиусом от Га до ГЬ, то на интегральной кривой находят точки с
абсциссами Га И ГЬ И вычисляют разность ординат (А-В) этих
точек, которая и выражает весовое содержание фракции, Точка
перегиба интегральной кривой,
форму,
отвечает
наиболее
обычно имеющей S-образную
вероятному
содержащихся в Aal-lноi/! дисперсной системе,
размеру
частиц,
--...
е
<,
ф I---+---~
,
'тах
РИС.2. Интегральная кривая
распределения.
Более наглядное представление о фракционном составе
суспензии
дает
F(г)=-cIФ(г)/dг.
Соответствующая
характеризует
частиц
дифференциальная
плотность
функции
распределения
различных' радиусов.
дифференциальной
этой
функция
кривой
Чем
уже
кривая
вероятности
интервал
распределения
максимум, тем ближе суспензия
распределения
и
(рис.
по
массе
радиусов
чем
3)
выше
к монодисперсной (кривая
на
ее
1);
наоборот, чем кривая более растянута и чем ниже ее максимум,
тем
суспензия
более
полидисперсная
свойство дифференциальной
кривой
(кривая
2).
распределения
Важнейшее
состоит
в
следующем: весовое содержание в суспензии частиц с радиусами
от Г1 дО Г2, Т.е. вероятность нахождения в суспензии частиц с этими
радиусами, равно площади, ограниченной кривой, осью абсцисс и
двумя ординатами, ПРОБеденныiviИ Б точках Г1 и i2 (см. кривую
2).
r2
r1
r
РИС.З. Дифференциальные кривые
распределения: 1-суспензия.близкая
к монсдисперсной; 2-полидисперсная
суспензия.
Используя
дифференциальную
кривую
распределения
можно непосредственно определить наиболее вероятный радиус
частиц.
соответствующей
максимуму
этой
функции.
а
также
вычислить и другие характеристики полидисперсности. например.
средне весовой радиус и удельную поверхность суспензии
При отстаивании полидисперсной суспензии в отличие от
монодисперсной
различной.
та
граница
как
оседающего
частицы,
имеющие
Сf10Я
оказывается
раЭЛИЧНЬiе
радиусы.
проходят за одно и тоже время различные пути В этом случае
седиментационный
позволяющим
аналVlЗ
легко
проводят
строить
весовым
кривые
методом,
распределения
полидисперсных суспензий
Весовой метод се,llиментационного анализа зак..'1ючается в
определении скорости накопления осадка на чашечке весов. По
дан н baVi
анализа
строят
график
заВ.,lсv.iYiОСТИ
относительной
массы осадка от времени. так называемый график седиментации
Q = f( -;).
где о- масса осадка. riакопившегося на чашечке
весов ко времени 1:. в
%
от общей массы частиц суспензии в
объеме над чашечкой весов. Для монодисперсной системы эта
зависимость изображается прямой ОВ (рис.
4).
Точка
6
отвечает
времени полного оседания суспензии Ч. исходя из которого можно
а
В
~----------~--~.
О
Рис.4. График 't1
t
седиментации
монодисперсной суспензии.
рассчитать скорость оседания
u=H/t,
и затем по уравнению
{28}
вычислить радиус частиц.
Оседание
двухдисперсной
представить как одновременное
суспензий.
Если
оседание
суспензии
(рис.
оседание двух
более
крупных
отрезком прямой ОВ, а оседание более мелких
5)
монодисперсных
частиц
-
можно
выразится
отрезком прямой
ОС, то график седиментации двухдисперсной системы получается
суммированием
ОВ'С'
ординат
этих
прямых
и
выражается
ломаной
Точки излома на суммарном графике показывают время
полного оседания крупных и мелких частиц ч И'2. ПО уравнению
(28)
можно ВЫЧИСЛ\llТЬ радиусы крупных и мелких частиц Г1 и Г2.
~t-------ёo--_===' С'
О
I
- - --~
!I
'~c
о
Т1
Т2
t
РИС.5. ГрафИк седиментации
двухдисперсной суспензии.
График седиментации дает возможность определить не
только
радиусы
частиц
суспензии,
содержание различных частиц.
и
Продолжение
пересечения ее с осью ординат дает точку
001
но
01.
относительное
прямой
В'С' до
При этом
= В'Е=СС' =q2
0;02 == СТ 2
=ql
Таким образом, определяют
q1
и Q2- массу крупных и мелких
частиц суспензии
Совершенно такие же рассуждения приложимы к системе,
состоящей из трех фракций. В этом случае график седиментации
будет иметь три излома. Для дисперсной системы из четырех
фракций будет наблюдаться
случае график седиментации
четыре излома
полидисперсной
и т.д
В общем
системы
имеет
бесконечно большое число изломов, то есть будет выражаться
кривой,
представляющей
собой
предел
ломаной
бесконечно малыми прямолинейными участками (рис.
график принято называть кривой седиментации.
линии
6).
с
Такой
• • •
~"'_ 't~
f
tr='
r~
~.,
t",t
РИС.б. Кривая седиментации полидисперсной суспензии.
Пользуясь
интегральную
кривой
и
седиментации,
диqxpeренциальную
можно
кривую
построить
распределения.
Построить кривые распределения можно различными методами
Графический метод рассмотрим более подробно.
1.1.
ГраФический метод построения кривых распределения
Начальный участок кривой седиментации полидисперсной
суспензии,
собой
соответствующий
отрезок
прямолинейного
ОВ
(см
участка
интервалу
рисунок
б).
обусловлено
О-!мин,
представляет
Наличие
тем,
что
на
в
кривой
начальный
период времени на чашечку весов оседают равномерно (но с
различными скоростями) частицы всех размеров, до тех пор, пока
не ос:ядут вс:е C~MЫP. КРУПНЫР. частицы (ТОЧКЭ А)
времени
Тмин
(минимальному)
С ~TOГO м()мента
рассчитывается
Гмакс-
радиус
;:;амых крупных частиц, так как за это sремя такие частицы. имея
наибольшую СКОРОсть осаждения, полностью осядут; 6 том числе
осядут
и
частицы,
находившиеся
в
самом
верхнем
слое
суспензии, которые за время Тмин пройдут путь М- полную высоту
столба суспензии над чашечкой. Их скорость оседания равна
Н/Тмин, что позволяет определить с помощью уравнения
(28)
радиус наибольших частиц г макс.
Время
касательную
Тмин
к
можно
определить
седиментационной
по
кривой,
графику,
проведя
проходящей
через
начало координат. Касательная должна совпадать с начальным
прямолинейным ее участком. Из точки отрыва касательной от
седиментационной кривой (точка В) опускается перпендикуляр на
ось абсцисс и находится время tмин.
При больших временах
кривая оседания полидисперсной суспензии таюке переходит в
прямую; точка перехода 'макс соответствует окончанию процесса
оседания
всех
частиц
суспензии.
Проводя
касательную
к
седиментаЦИОНI10Й кривой, параллелы1юю оси абсцисс, из точки К
отрыва от кривой, опускают перпендикуляр и находят на оси
абсцисс время 'макс, по которому рассчитывают Гмин - радиус
самых
мелких
частиц
Ордината
05
этой
соответствует массе всех частиц, выпавших на чашку
касательной
(100%).
YctaHOBI-IВ [макс и fмин- flредельные значения радиусов
частиц суспензии, на кривой седиментации выбирают ряд точек в
местэ)( нэиБОПЫJ'его изменения КРИВИЗНЫ H~ риr:УНt<е
С, О, Е,
F.
6
ЭТО точки
Таким образом, исследуемую суспензию разбивают на
несколько фракций, в данном случае м8 ПЯТЬ
Радиусы частиц
каждой фракции будут лежать в определенных узких интервалах.
Далее проводят касательную к кривой в одной из точек, например
в точке О, и прямую, параллельную оси абсцисс. Все количество
вещества О(г}, успевшее осесть к этому времени (отрезок ОО')
можно условно разбить на две фракции:
С частицами, радиус которых r > rз = k ~ НI r 1 и которые
1) q2
за время '[2 полностью успевают выпасть в осадок. Масса этих
частиц
равна
Ф('[2)-
распределения в точке
значению
интегральной
'[2.
= k ~ НI r 2 и которые за
2) qз с частицами, радиус которых r < rз
время
'[2 успевают перейти в осадок лишь частично. Если массу
этой части осадка обозначить
S,
то Q(r2)=Ф(Т2)+S Можно показать,
что значение S численно равно отрезку
оси
функции
ординат
касательной
к
кривой
02 О' ,
в
отсекаемому на
точке
D
и
прямой,
параллельной оси абсцисс. В самом деле, к моменту времени Т2
накопление осадка определяется только изменением
величина Ф(-t2)
S=kT,
постоянна.
Поэтому dQ/d-с=dS/d'[.
S,
так как
Заметим, что
то есть, как было сказано выше, масса оседающих частиц
проп~р~иональна времени оседания. Тогда
dQ
dr
S
т
(30)
Из рассмотрения треугольника 020·О видно что
ао
0,0'
~-=---
(31 )
Таким образом. масса частиц с радиусом гз и больше.
'2.
которые полностью осели ко времени
002'
О.
определяется отрезком
отсекаемым на оси ординат касательной к кривой в точке
Точно
так
же
масса
частиц
определяется отрезком ООз
'
с
радиусом
Г2
и
больше
отсекаемым касательной к кривой
в точке Е и т.д. В общем случае можно написать уравнение
Ф(Т)=Q(Т)-Т~~.
Из
этого
уравнения
(32)
следует,
что
касательных дает возможность построить
распределения (см. рис.
2),
метод
проведения
интегральную кривую
то есть кривую, каждая точка которой
показывает массовое содержание частиц суспензии с радиусами
больше, чем данный.
Массовое
отрезком
на
соответствующим
массовое
содержание
оси
ординат
точкам
содержание
соответствует отрезку
каждой
между
кривой
q1
040; , а
фракции
определяется
касательными
седиментации.
наиболее
к
Например,
мелкой
qpракции
массовое содержание
q5 частиц
наиболее крупной пятой фракции, радиус которых изменяется от
Гтах
до
отрезку
Для
построения
-
- .-
...~f н....,
дисрореренциальной
кривой
распределения
на
оси
абсцисс
откладывают значения радиусов частиц fmin, Г1, Г2 И т. д., а на оси
ординат- отношение массового содержания
интервалу
радиусов
содержание
q/M (рис.7)
каждой
соответствующего
Тогда
срракции
каждой фракции к
(q/M)L\r=q и массовое
выразится
прямоугольника.
площадью
Построив
такие
прямоугольники для всех выбранных фракций и соединив средние
точки ~1X верхних оснований "олучат дифференциальную кривую
распределения.
Основным
достоинством
рассмотренного
выше
графического метода является наглядность.
Тем
не
менее.
этот
недостаткоэ. 6 частности,
метод
имеет
ряд
существенных
проведение касательных в известной
S5
мере субъективно и может привести к неточным результатам,
особенно при обработке пологой части кривой седиментации. В
Результате этого MOi)'Т быть выданы ошибочныe заi<J1ЮЧеНИЯ о
распределении частиц полидисперсной системы по фракциям
Кроме того, графический метод не. дает возможность получить
количественные
показатели,
необходимые
ДЛЯ
решения
теоретических и многих прикладных задач.
2.Экспериментальная часть
Реактивы и оборудование
Торсионные весы с чашечкой;
Стакан химический емкостью 1л;
Мешалка;
Секундомер;
Исследуемое вещество в виде порошка.
2.1.
Порядок выполнения работы
Ниже приведено несколько общих замечаний по методике
выполнения седиментаЦИО!-lНОГО анаl1иза. Исследуемая суспензия
должна быть устойчивой и не должна коагулировать в процессе
оседания.
В
противном
преподавателя
случае
в
суспензию
добавляют стабилизирующие
по
агенты,
указанию
которые
одновременно улучшают смачивание частиц средой. Оседание
частиц
анализа
ДОЛЖНО
происходить
необходимо
дисперсной
iiереiviеЩеНИе
системе
KOTOPbiX
в
соблюдать
не
спокойной
жидкости.
постоянство
должно
быть
В
ходе
температуры.
пузырьков
алViЯЛО бы на ОСедамИе частиц.
8
воздуха,
5"6'
РИС.8. Схема весов
Анализ проводят следующим образом. В химический стакан
наливают
1л
седиментационной жидкости (воды) и на торсионных
весах взвешивают опущенную в воду чашечку. Порядок работы с
весами
следующий.
С
помощью
устанавливают весы по уровню
корпуса
3
2,
регулирующих
5
(1)
находящемуся в передней части
Открывают дверцу стеклянного ограждения
подвешивают на крючок
винтов
чашечку.
4
и
Производят разблокировку
весов поворотом головк\ot 6 на 1800 При этом красная точка на
головке должна
левую
головку
быть
обращена
барабана
подвижная стрелка
8
не
7
от
на
себя
исследователя
влево
до
тех
Вращают
пор.
пока
AOCTViiHeT краСtiой чеРТDi равновесия.
Вращение головки вызывает вращение подвижной шкалы
Массу
взвешиваемого предмета ОТСЧИТЬtвают по подвижной шкале в том
месте, на которое указывает неподвижная стрелка.
Из
порошка
исследуемого
вещества
iОТОВЯI
0,5%
суспензию. Для этого навеску порошка вносят в стакан с водой.
Перед началом взвешивания осадка суспензию перемешивают
поступательным движением по вертикали палочкой с надетым на
ее конец диском. После этого чашечку опускают в стакан с только
что перемешанной суспензией так, чтобы чашечка находилась в
центре стакана
поскольку
и
не задевала стенки,
оседание
с
течением
и через
времени
15
с,
затем,
замедляется,
постепенно увеличивают интервалы между 8звешиваниями до
с,
1
мин,
2
мин и, наконец,
5
30
мин. Для каждого интервала времени
делают четыре замера. Анализ считают законченным, когда два
последних взвешивания с интервалом между ними не менее
5
мин совпадают.
Результаты
взвешивания
определения относительной
записывают
массы Оса;:!,ка
в
таблицу.
OCt}
Для
рассчитывают
массу всех частиц суспензии амакс, находящихся в объеме над
чашечкой весов. Величину Омакс рассчитывают по уравнению
QШК('
0-2
= SHC р- ро · 1
,
(33)
Р
где
s-
площадь чашечки, ем 2 ; Н- высота слоя суспензии над
чашечкой, см; с- концентрация суспензии, r/100cM 3; р и
ро-плотность твердой
I
3
Г,СМ.
фазы
и жидкой
среды
соответственно,
В случае существенного различия между значением амакс,
вычисленным
по
определенной
уравнению
при
и
(33),
взвешивании,
указание от преподавателя
о том,
полной
студент
массой
должен
осадка,
получить
что принять за максимально
возможную массу осадка, и затем приступить к расчету.
Данные анализа записывают в табл.
Таблица
1.
1
Экспериментальные и расчетные данные для построения
кривой седиментации суспензии исследуемого порошка в воде
(р=2,7 г/см 3 ; ро=1 г/см 3 ; амакс =190 мг; масса чашечки в воде 82 мг;
Н=9,4 см)
rtfТервз
,
I
.
Время оседания
частиц от начала
л
времен
0,25: 0,5; 0.75;
1.0
1,5; 2,0;
2,5;
3,0
4; 5:6: 7
0,5
2
I
5
Масса осадка,
Масса
чашечки с
осадком,
9; 11; 13; 15:
I
20; 25;
I
I
Обработку
I
Относительн
мг
ая масса
осадка,
мг
I
И, мин
,i
Ii
I
опыта. мин
0,25
ri
I
1153; 186; 202;
207
I 223; 230;
i 233; 240;
I 248: 251; 255;
256.5
258,5; 261;
263;265
268;268
I
j
I
!
I
I
экспериментальных
74; 104; 120;
125:
141; 148; 151;
158;
166; 169; 173;
174,5;
176,5; 179; 181;
183
186; 186
данных
i
%
37,4; 54,7;63;
65,8
74; 78; 79,5;
83,5
87.5; 89; 91:
92
93,0; 94,5;
95,5; 96,5
97.8; 97,8
I
I
про водят
по
указанию преподавателя.
2.2. Обработка данных седиментационного анализа
........ -1
L.L.I.
PaC~eT
графическим методом
гранулометрических
хараi\"Терис111t<
1)
По результатам
анализа. строят
кривую седиментации в
координатах Q(%);r(мин). Кривую оседания частиц с.1едует
вычерчивать в крупном масштабе на миллиметроеой бумаге с
размером листа не менее 20х20 см.
2)
Определяют
радиусы
максимальный
частиц
уравнению
Гмаке
суспензии
по
И
минимальный
кривой
Гмин
седиментации
(28); в уравнение (28) подставляют значение
и
t
в
сек и Н в см.
3)
Намечают число фракций (обычно пять-шесть) и определяют
относительную массу каждой фракции.
4)
В
выбранных
точках
проводят
касательные
к
кривой
и
определяют относительную массу каждой фракции.
Для каждой фракции вычисляют м и
результаты оформляют в виде табл.
q/M. Полученные
2.
Таблица
Дисперсионный
определенный
суспензии,
состав
2
графическим методом
I фрак
I
"маке tмин,
'1
ции
,мин
I
мин
i
Относ.
масса
фракци
и. %
I rм"н, I rмаке
I
мкм
i
I,
i
мкм
ДГ,
мкм
I Гер,
i МКМ
i
.
О/М,
%
: мкм
5) Строят дифференциальную кривуtO распределения, для
чего на оси абсцисс откладывают среднее значение
радиусов частиц всех фракций,
значения
6)
По
виду
вывод
о
q/M для
а
на оси ординат
-
каждой фракции.
полученной
кривой
дисперсности
распределения
исследуемой
делают
суспензии
заrн-!сывэют ЗЭУ,Jlючение 8 лабораторный журнал.
и
I
I
I
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
N2 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА ЧАСТИЦ
КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СУСПЕНЗИЙ.
1.
Т еооетическая часть
Известно,
суспензий
не
что
седиментация
подчиняется
концентрированных
закономерностям
оседания
разбавленных систем. В таких системах свободного падения
частиц
не
частицы
происходит,
падают
а
вместе.
большинство
независимо
от
частиц
или
размера,
все
так
как
жидкость, омывающая каждую частицу, тормозится другими
частицами суспензии. Образуется четкая граница раздела
"твердая фаза
-
жидкость", которая в течение некоторого
времени движется с постоянной скоростью. Это явление
оседания".
"заторможенного
название
получило
Минимальная концентрация, при которой г.оявляется четкая
граница раздела при оседании порошка. называется порогом
заторможенного
оседания
концентрации частицы
резуньтате
( С" ).
Начиная
с
этой
порошка в суспензии образуют в
коагуляционных
контактов
пространственную структуру (флокулы
непрерывную
--> агрегаты ---->
непрерывная сетка). которая под действием силы тяжести
уменьшает
оседание
свой
в
такой
объем
во
системе
времени.
Заторможенное
обусловлено,
в
основном,
структурообраэсванv.ем и пороговой концентрацией, поэтому
80
~/;HOГO~I!
О!1ределяется
той
наимен~шей
концентрацией
61
частиц, при которой расстояния между частицами в хорошо
перемешанной
суспензии
коагуляционных
достаточны
конта ".'ТОВ.
Скорость
для
образования
оседания
в
такой
системе зависит от скорости уплотнения структуры.
Исследуя зависимость уровня границы раздела от времени
6 концентрированной суспензии, рассчитывают линейную
скорость
скорость
оседания
Q на
оседания
начальном
связана
со
этапе.
ЛинеLilная
скоростью
оседания
свободно падающей частицы следующим уравнением:
Q = V,e 2 _10-4(1-8)
где
V, -
е -объем
скорость оседания свободно падающей частицы;
жидкой
фракции
равномерно
суспензии (начальная пористость);
Если в уравнении
значение
(36)
(36)
А
перемешанной
- константа.
выразить через уравнение
эквивалентного
сферического
радиуса
(10),
то
частиц
можно представить как
r =
9Qr _10 . 4(1-8)
[ 2g(PI - Р2 )е
]!!
.
2
2
(37)
Каждое значение е и соответствующее значение Q можно
использовать для оценки г. Набор
образом. дает
n
n
определений, таким
значений г. из которых рассчитывается
среднее значение г.
Теоретическая часть
Реактивы и оборудование
Градуированные
пробирки
объемом
ЗА
мл
с
притертыми пробками;
секундомер;
исследуемый наполнитель в виде порошка;
поверхностно-активное
концентрации
вещество,
раствор
определенной
.
Порядок выполнения работы
Из порошка
исследуемого
суспензии
различных
пороговую
концентрацию,
наполнителя
концентраций,
значение
готовят
4
превышающих
которой
указывается
преподавателем. Для этого навеску наполнителя, вносят в
градуированные пробирки объемом
ЗО мл
с притертыми
пробками, куда до метки "ЗО" доливают воду. Суспензии
тщательно
перемешивают
посредством
20-кратного
переворачивания закрытых пробирок. Если при этом общий
объем системы уменьшился, необходимо долить воду до
метки "зо" и перемешать суспензию. В момент прекращенVlЯ
перемешивания
фиксируют
границы
включают
положение
раздела
секундомер
границы
проводят
раздела.
сначала
5
замера.
скорость
ЗОс
Фиксирование
1
ЗОе,
MI.1H,
2
затем
мин и,
МИН. ДЛЯ первого интервалР. времени делают
заМеРОВ, для второю и ТреТЬеГО
- 2
через
через
увеличивают интервалы между замерами до
наконец.
и
Эксперимент
перемещения
- 5
заМеРОВ, для
считают
границы
"ieTBepTOiO
законченным,
раздела
10
когда
становится
значительно
меньше
наблюдений
для
записывают 6 табл
Таблица
первоначальной
суспензий
различных
Результаты
концентраций
6.
6. Экспериментальные и расчетные данные для
определения скорости заторможенного оседания суспензий
Интервал
времени, мин
Время
Перемещение
оседания
границы
чаcrицот
раздела. см
О. см/мин
начала onыra.
I
I
мин
I
Расчет радиуса частиц концентрированных суспензий
По
результатам
эксперимента
строят
графики
зависимости уровня границы раздела, см, от времени, мин,
(рис.
9).
см/мин,
Затем рассчитывают линейную скорость оседания.
на
начальном
этапе
дня
каждой
концентрации
наполнителя.
H,:J.t
~------------------.~~~~
Рис
9
Кинетические
кривые
затор~оженоого
оседани~
концеНТрИj)оваНнt>lХ суспензий наполнителя
Для каждой концентрации суспензии рассчитывают & - объем
ЖИДКОЙ фракции
формуле
равномерно
перемешанной суспензии
по.·
с: =1 - ~
,
(38)
РI
где
РI
q> - навеска
наполнителя, г/
30
мл
- доля
твердой фазы;
- плотность твердой фазы.
Для каждой концентрации суспензии рассчитывают величину
И
Q I &2
19(Q I &2) .
Строят
линейную
зависимость
19(Q I &2) - f(&) и определяют константу А как тангенс угла
наклона прямых к оси абсцисс. Данные, необходимые ДЛЯ
расчета константы А записывают в таб.
Таблица
7.
7. Данные, необходимые для расчета константы
с суспензии,
%
Q
,
&
Q/8 2
!
,I
2"\
Ilg(Qu~ )
I
I
I
i
I
I
I
I
По формуле (37)рассчитывают значение радиуса частиц для
каждой
концентрации
таким образом, дает
среднее значение г.
n
суспензии.
Набор
n
определений,
значений, из которых рассчитывают
I
- 32.-
/
Рис.
10.
Графическое определение константы
При расчете г частиц концентрированной суспензии берут
значения:
Для 17 I сП=1*10·2 г/см.с=1*10·2*60 г/см.мин;
2
Для 9 I cмlc2 =1 *602 см/мин =980*602 ;
Содержание.
1. Введение ................................................ 3
2.
Лабораторные работы
Работа
1. Получение дисперсных истем ................ 5
Работа
2. Определение размера частиц коллоидных
систем, подчиняющихся уравнению Рэлея
турбидиметрическим методоМ .................. '"
Работа
..... .
3. Определение размера частиц дисперсных
систем, не подчиняющихся уравнению Рэлея.
турбидиметрическим методом ........................... .
Работа
4.
систем
..................................................... ·· ..
Работа
5.
Седиментационный анализ дисперсных
Определение размера частиц
концентрированных суспензий
... , ...................... .
Учебно-методическое посоБИI
Туторский Игорь Александрович
Буканова Евгения Федоровна
Дулина Ольга Анатольевна
Пракrикум по коллоидной химии.
Получение, оптические и молекулярно­
кинетические свойства коллоидных систем
(для студентов бакалавриата)
Гл. редактор В. д. Капкин
Компьютерная верстка Д. В. Краснощеков
ЛР
N2 020816
Подписано в печать
от
2009.93
25 05.01.
Бумага офсетная. Гарнитура
Формат 60х90/16
Arial
суг. Печать
резограф Уч - изд. л .~ If . Тираж 500
Заказ NQ 130
Издательско-полиграфичеСt<иЙ центр МИТХТ.
11757;
МОСКВо, пр
Bepl'laACKoro 86