Коллоидная химия. Часть 2: Учебное пособие

Ф Е Д Е Р АЛ Ь Н О Е АГ Е Н Т С Т В О П О

О Б Р АЗО В АН И Ю

В О Р О Н Е Ж С К И Й Г О С У Д АРС Т В Е Н Н Ы Й У Н И В Е Р С И Т Е Т

П ояркова Т .Н ., В е ре жников В .Н .

К О Л Л О И Д Н АЯ Х И М И Я Часть 11 У че бное п особие cп е ц иал ьность 020101 (011000) -Х им ия

В О РО Н Е Ж 2005

2

У тве ржде нонау чно-м е тодиче ским сове том хим иче скогоф аку л ьтета 15 ф е врал я 2005 года, п ротокол № 6 Авторы : П ояркова Т .Н ., В е ре жников В .Н .

У че бное п особие п одготовл е нона каф е дре В М С К хим иче скогоф аку л ьте та В ороне жскогогосу дарстве нногоу ниве рсите та. Р е ком е нду е тся дл я сту де нтов 3 ку рса дне вногоотде л е ния биол огоп очве нногоф аку л ьте та.

3

Д анны й вы п у ск у че бного п особия соде ржит оп исание л абораторны х работ, составл яю щ их основное соде ржание п рактику м а п о общ е м у ку рсу кол л оидной хим ии на 3 ку рсе дне вного отде л е ния биол огоп очве нногоф аку л ьте та. В п особии данооп исание м е тодики вы п ол не ния работп о изу че нию основны х свойств дисп е рсны х систе м и п ове рхностны х явл е ний с у че том оп ы та нау чной и м е тодиче ской работы каф е дры , а также воп росы и у п ражне ния, вы п ол няе м ы е сту де нтом п ри оф орм л е нии работы . К аждой работе п ре дп осл ано краткое теоре тиче ское вве де ние , даю щ е е м иним ал ьны й объ е м инф орм ац ии, не обходим ой дл я п оним ания изу чае м ого воп роса. П одробная п роработка соотве тству ю щ их разде л ов ку рса п ре ду см отре на п рограм м ой те оре тиче ских кол л оквиу м ов и се м инаров.

4 П р огр ам м а л абор атор н ого п р ак ти к ум а Р абота №

1. М ол е ку л ярная адсорбц ия на п ове рхности разде л а растворвозду х. О п ре де л е ние у де л ьной п ове рхности п ористого адсорбе нта (6 час). Р абота № 2. О п ре де л е ние эл е ктрокине тиче ского п отенц иал а зол я м е тодом м акроэл е ктроф оре за (4 час). Р абота № 3. И ссл е дование агре гативной у стойчивости зол е й. О п ре де л е ние п орога бы строй коагу л яц ии м е тодом «м ину тной» м у тности. П рове рка п равил а Ш у л ьц е -Г арди (4 час). Р абота № 4. Cе дим е нтац ионны й анал из су сп е нзий (6 час).

Л и тер атур а 1. 2. 3. 4.

О сновная Зим он А.Д . К ол л оидная хим ия / А.Д .Зим он, Н .Ф .Л е щ е нко. - М .: Агар, 2003. - 320с. М у ш кам баров Н .Н . Ф изиче ская и кол л оидная хим ия / Н .Н .М у ш кам баров. - М .: Г Э О Т АР -М Е Д , 2001.-384с. Е встратова К .И . Ф изиче ская и кол л оидная хим ия / К .И .Е встратова, Н .А.К у п ина, Е .Е .М ал ахова. - М .: В ы сш . ш к.,1990. - 486с. Г е л ьф м ан М .И . К ол л оидная хим ия / М .И . Г е л ьф м ан, О .В .К овал е вич, В .П .Ю стратов.- С П б.: Л ань, 2003. - 336c..

Д оп ол ните л ьная 1. Зим он А.Д . Заним ате л ьная кол л оидная хим ия: свое образны й м ир частиц / А.Д .Зим он.-М .: Р адэкон, 2000. - 191с. 2. М е тодиче ские у казания к п рактику м у п окол л оидной хим ии(вы п у ск 2) дл я сту де нтов 11 ку рса дне вного отде л е ния биол ого-п очве нного ф аку л ьтета/ С ост. Т .Н .П ояркова, В .А.К у зне ц ов, В .Н .В е ре жников.- В ороне ж,1999.(№ 491) 3. У че бно-м е тодиче ское п особие .К ол л оидная хим ия. Часть 1. дл я сту де нтов 3 ку рса дне вного отде л е ния биол ого-п очве нного ф аку л ьтета./ С ост. Т .Н .П ояркова, В .Н .В е ре жников.- В ороне ж,2004.(№ 585) 4. Щ у кин Е .Д . К ол л оидная хим ия / Е .Д .Щ у кин, А.В .П е рц ов, Е .А.Ам е л ина.-М .: В ы сш ая ш к. , 2004.- 348 с.. 5. В ою ц кий С .С . К ол л оидная хим ия / С .С .В ою ц кий. - М .:Х им ия, 1975. 512с.

5 Р абота1. М О Л Е К У Л Я Р Н АЯ АДС О Р БЦ И Я И З Р АС ТВО Р О В О П Р Е ДЕ Л Е Н И Е У ДЕ Л ЬН О Й П О ВЕ Р ХН О С ТИ АК ТИ ВИ Р О ВАН Н О ГО У ГЛ Я В кол л оидны х (у л ьтрам икроге те роге нны х) систем ах, им е ю щ их огром ну ю п ове рхность разде л а м е жду ф азам и и обл адаю щ их бол ьш им зап асом свободной п ове рхностной эне ргии, бол ьш у ю рол ь играю т п роц е ссы , п роисходящ ие на п ове рхности. С вободная п ове рхностная эне ргия - та часть свободной эне ргиисисте м ы , которая обу сл овл е на нал ичие м м е жф азной п ове рхности. И сточником п ове рхностной эне ргии явл яю тся сил ы м е жм ол е ку л ярного взаим оде йствия, не ском п е нсированны е в п ове рхностном сл ое (всл е дствие разл ичной эне ргии ван-де р-ваал ьсова взаим оде йствия м ол е ку л п ове рхностногосл оя с м ол е ку л ам исм е жной ф азы им е жду собой). П ри обратим ом изм е не нии п л ощ ади п ове рхности (S) в изобарноизоте рм иче ских у сл овиях изм е не ние эне ргии Г иббса (G) систе м ы оп ре де л яе тся вы раже ние м : dG = σ · dS , (1) где σ - у де л ьная ве л ичина свободной п ове рхностной эне ргии(свободная эне ргия Г иббса е диниц ы п л ощ адип ове рхности), изм е ряе тся в Д ж/м 2 . М ожно п оказать, что у де л ьная свободная п ове рхностная эне ргия числ е нно равна си л е п овер хн остн ого н атя ж ен и я , де йству ю щ е й на е диниц у дл ины конту ра, ограничиваю щ е го п ове рхность, и стре м ящ е йся сократить п ове рхность разде л а ф аз. В е л ичина п ове рхностногонатяже ния σ (изм е ряе тся в Н /м ) л е гкооп ре де л яе тся эксп е рим е нтал ьно. У м е ньш е ние свободной п ове рхностной эне ргии систе м ы п роисходит сам оп роизвол ьно и м оже тре ал изовы ваться дву м я сп особам и: 1) за сче т у м е ньш е ния п л ощ ади м е жф азной п ове рхности (нап рим е р, в п роц е ссе коагу л яц ии дисп е рсны х систе м ); 2) п у тем изм е не ния состава п ове рхностногосл оя - ад сор бци и . П ол ожите л ьная адсорбц ия - это накоп л е ние , конц е нтрирование растворе нного ил и адсорбированного ком п оне нта систе м ы на п ове рхности разде л а ф аз. В е л ичину адсорбц ииГ (гам м а) ил иА , обы чноизм е ряю ткол иче ством адсорбированного ве щ е ства, п риходящ им ся на е диниц у п ове рхности (м ол ь/м 2 ) ил и на е диниц у м ассы (в сл у чае тве рдогоадсорбе нта, м ол ь/кг, м ол ь/г). К ол л оиды п очв, им е я огром ну ю п ове рхность, обл адаю т свойством адсорбировать из окру жаю щ е й сре ды значител ьны е кол иче ства газов, п аров жидкосте й и разл ичны х ионов, нап рим е р, кал ия, натрия, кал ьц ия, м агния, ам м ония и дру гих до п ол ного насы щ е ния п ове рхности кол л оидны х частиц . С л е ду е тотм е тить, что адсорбированны е катионы м огу тизм е нять п л одородие п очвы не тол ько п у те м изм е не ния е е ф изиче ских

6 свойств (водоп рониц ае м ость, вл агое м кость, набу хае м ость), ноони м огу т оказы вать ине п осре дстве нное вл ияние на ростиразвитие расте ний. П итание расте ний у гл е кисл ы м газом из возду ха связанос п ре дварите л ьной адсорбц ие й газа на л истьях. П огл ощ е ние корням и п итате л ьны х эл е м е нтов из п очвы начинае тся с их адсорбц ии на п ове рхности корне вы х вол осков итонких не оп робкове вш их корне й. Д ы хание животны х и че л ове ка п ротекае тв ре зу л ьтате п ре дварите л ьной адсорбц иикисл орода на п ове рхностил е гких. О рганизм че л ове ка соде ржитм ноже ствобол ьш их п ове рхностей разде л а – стенки сосу дов и кл е ток (нап рим е р, общ ая п ове рхность эритроц итов крови че л ове ка достигае т≅ 3200 м 2 ). П оэтом у п ове рхностны е явл е ния и адсорбц ия играю тважну ю рол ь в п роц е ссах е гожизне де яте л ьности. Б ол ьш ое значе ние им е е тадсорбц ия на п ове рхности кл е точны х м е м бран, с п ом ощ ью которы х кл е тка взаим оде йству е тс вне кл е точной сре дой и осу щ е ствл яе т контакты с дру гим и кл е ткам и. М е м браны ре гу л иру ю т трансп ортразл ичны х ве щ е ств в кл е тку , п ри этом п е рвичны м актом явл яе тся адсорбц ия п е ре носим огове щ е ства на м е м бране . Д исп е рсны е систе м ы , характе ризу ю щ ие ся бол ьш ой п ове рхностью разде л а ф аз, обл адаю тзначител ьной адсорбц ионной сп особностью . У п ористы х адсорбе нтов ре зкоу ве л ичивае тся п л ощ адь разде л а ф аз не тол ько в ре зу л ьтате дисп е рсности, но и доп ол ните л ьно за сче тп л ощ ади сам их п ор. У гл е родисты е сорбе нты (тип ичны е гидроф обны е адсорбе нты ) ш ирокоисп ол ьзу ю тся дл я п огл ощ е ния отравл яю щ их ве щ е ств. Д л я п овы ш е ния адсорбц ионной сп особности у гл я е го обрабаты ваю тп аром ил и ине ртны м и газам и. Е сл и у де л ьная п ове рхность такогоне п ористогоп роду кта, как сахарная п у дра, не п ре вы ш ае т0,5 м 2 /г, тоу частиц п ористогоактивированного у гл я она бол ьш е на три п орядка ∼ 500 м 2 /г. В одной табл е тке (вы п у скае м ой в м е диц инских ц е л ях м ассой 0,25 г) ре ал изу е тся 125 м 2 п ове рхностиразде л а. П риочистке кровиоттоксиче ских ве щ е ств (л ю м инал , ве ронал , тазе п ам и др.) п рим е няе тся м одиф иц ированны й ал ьбу м ином , ац е татом ц е л л ю л озы активированны й у гол ь. Р ассм отрим вначал е сл у чай адсорбц ии м ол е ку л растворе нногове щ е ства (нап рим е р, одногоиз сп иртов жирногоряда) на п ове рхностиразде л а раствор/возду х. М ол е ку л ы сп иртов (RО Н ) в п ове рхностном сл ое раствора сам оп роизвол ьно орие нтиру ю тся таким образом , что не п ол ярны й у гл е водородны й радикал (R) вы ходитиз воды в сосе дню ю не п ол ярну ю ф азу (в данном сл у чае возду х), а п ол ярная гидроф ил ьная гру п п а (-О Н ), интенсивно взаим оде йству ю щ ая с водой, остае тся в водной ф азе (рис.1,а). Т акая орие нтац ия обе сп е чивае т сниже ние свободной п ове рхностной эне ргии раствора, п ове рхностногонатяже ния σ. С у ве л иче ние м общ е й конц е нтрац ии раствора ве л ичина адсорбц ии растет, м ол е ку л ы П АВ в адсорбц ионном сл ое сбл ижаю тся и в п ре де л е (п ри С →∞) образу ю тп л отноу п акованны й (насы щ е нны й) м оносл ой (частокол “Л е нгм ю ра”) (рис.1,б).

7 В е л ичина σ п ри этом снижае тся до м иним ал ьного значе ния, а адсорбц ия достигае т п ре де л ьной ве л ичины . В е щ е ства, снижаю щ ие п оР ис.1. С тру ктура адсорбц ионны х сл оёв ве рхностное натяже ние раствора и образу ю щ ие адсорбц ионны е сл ои с п овы ш е нной конц е нтрац ие й, назы ваю тся п овер хн остн о-ак ти вн ы м и . П ом им осп иртов к ним относятся дру гие п ол ярны е органиче ские сое дине ния: карбоновы е и су л ьф окисл оты и их сол и, сол и ал кил овы х эф иров се рной кисл оты (ал кил су л ьф аты ), ам ины иих сол иит.д. П ове рхностно-активны е свойства таких ве щ е ств обу сл овл е ны нал ичие м в их м ол е ку л ах дву х разл ичны х п о п рироде (п ол ярности) часте й, которы е сообщ аю тим сродствок разл ичны м п оп ол ярностиф азам . Э не ргия ван-де р-ваал ьсова взаим оде йствия у гл е водородногорадикал а с п ол ярны м и м ол е ку л ам и воды м е ньш е , че м эне ргия взаим оде йствия м ол е ку л воды м е жду собой. П оэтом у на границ е разде л а водны й раствор/возду х (ил и у гл е водород) радикал ы R сам оп роизвол ьно п е ре ходят (вы тал киваю тся) в сосе дню ю не п ол ярну ю ф азу , что эне рге тиче ски вы годно и обнару живае тся эксп е рим е нтал ьно как у м е ньш е ние п ове рхностногонатяже ния (п ове рхностной эне ргии) σ. П ол ярны е гру п п ы , нап ротив, активновзаим оде йству ю тс дип ол ям иводы (гидратац ия) исообщ аю тм ол е ку л ам П АВ г и д р оф и л ьн ы е свойства (м ол е ку л ярное сродствок воде ), тогда как у гл е водородны е радикал ы явл яю тся носител ям и ги д р оф обн ы х свойств (гидроф обность означае твм е сте с те м ол еоф и л ьн ость - сродство к не п ол ярны м ф азам - у гл е водородам , м асл ам ). П оскол ьку нал ичие м ол е ку л П АВ в п ове рхностном сл ое эне рге тиче ски вы годно (∂σ/∂С >1, тогда, п ре не бре гая е диниц е й п од знаком л огариф м а, п ол у чим у равне ние (4) в виде : ∆σ = σ0 - σ = аlnb + a lnС , (7) т.е . ∆σ л ине йно зависитотlnС . И з граф ика зависим ости ∆σ(lnС ) находятконстанты a иb, а п осоотнош е ниям (6) -А ∞ иК. Зная ве л ичину А ∞ , м ожно рассчитать п арам е тры адсорбц ионного сл оя - п л ощ адь, п риходящ у ю ся на 1 м ол е ку л у в насы щ е нном адсорбц ионном сл ое S m (“м ол е ку л ярная п л ощ адка”) и тол щ ину адсорбц ионного сл оя h, равну ю дл ине м ол е ку л ы (см . рис.1,б), из сл е ду ю щ их соображе ний:

9 1) Н а 1 м п ове рхности адсорбировано А ∞ ·N м ол е ку л (N - числ о Авогадро), отсю да сл е ду е т, что: S m = 1/ (A ∞ N). (8) 2) М асса ве щ е ства m, адсорбированногона 1 м 2 п ове рхности, равна: m = А ∞ ·М , где М - м ол ярная м асса П АВ . С дру гой стороны , ве л ичину m м ожно вы разить как м ассу ве щ е ства, находящ е гося в объ е м е адсорбц ионного сл оя с п л ощ адью 1 см 2 итол щ иной h: m = ρ· h (ρ - п л отность ве щ е ства, г/м 3 ). Т аким образом , A ∞ ⋅ М = ρ ⋅h , отку да h = A ∞ ⋅ M/ρ (9) П ри адсорбц ии на тве рды х п ористы х адсорбе нтах, нап рим е р, активированном у гл е , также образу е тся насы щ е нны й м оном ол е ку л ярны й сл ой на п ове рхноститве рдой ф азы п ридостиже ниип ре де л ьной адсорбц ииГ ′ ∞ Зная п ре де л ьну ю адсорбц ию Г ′ ∞ и м ол е ку л ярну ю п л ощ адку П АВ S m м ожнорассчитать у де л ьну ю п ове рхность адсорбе нта S у д . У де л ьная п ове рхность – су м м арная п л ощ адь п ове рхностивсе х п ор е диниц ы м ассы адсорбе нта (м 2 /г) находятп оу равне нию : S у д = S m⋅ Г ′ ∞ ⋅ N . (10) 2

Э к сп ер и м ен тал ьн ая ч асть Ц е л ь работы : 1) рассчитать изоте рм у м ол е ку л ярной адсорбц ии П АВ на п ове рхностиразде л а раствор/возду х; 2) вы числ ить м ол е ку л ярны е характе ристики насы щ е нного адсорбц ионного сл оя; 3) оп ре де л ить адсорбц ию П АВ на активированном у гл е и рассчитать е го у де л ьну ю п ове рхность. В каче стве П АВ п рим е няю тодин из сп иртов жирногоряда. В табл иц е 1 п риве де ны не которы е характе ристики П АВ и ре ком е нду е м ы е у сл овия п рове де ния оп ы тов. Т абл иц а 1 С войства н-п роп ил овы й М ол ярная м асса, г/м ол ь 60 3 П л отность, г/см 0,80 И сходная конц е нтрац ия, 0,5 м ол ь/л Н аве ска у гл я, г 4

П АВ : сп ирты н-бу ти- н-ам ил овы й л овы й 76 88 0,81 0,81 0,5 0,2 2

1

н-ге ксил овы й 102 0,82 0,05 0,2

И з исходного раствора П АВ готовятряд растворов таким образом , чтобы конц е нтрац ия каждогоп осл е ду ю щ е гораствора бы л а вдвое бол ьш е п ре ды ду щ е го.

10 Д л я этого в м е рну ю кол бу на 50 м л вводятиз бю ре тки п осл е довате л ьно 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25 м л исходного раствора П АВ и доводятсоде ржим ое кол бы дом е ткидистил л ированной водой. Х орош о п е ре м е ш ав соде ржим ое кол бы , п е ре л иваю трастворы в чисты е су хие скл янки на 50 м л . О тбираю тв таку ю скл янку также 50 м л исходногораствора. Н а те хниче ских ве сах бе ру т6 наве сок активированного у гл я. (Е сл и у гол ь в грану л ах, то е го хорош о п е ре тираю тв сту п ке .) В зяты е наве ски (согл асно табл иц е 1) че ре з воронку с ш ироким горл ом вносятв чисты е су хие скл янки объ е м ом 30-50 м л . В скл янки с наве скам и п ип е ткой п е ре носятп о 30 м л п риготовл е нны х растворов. С кл янки закры ваю тп робкам и, п е ре м е ш иваю твстряхивание м в тече ние 1 – 2 м ину ти оставл яю тна 1,5 – 2 часа дл я у становл е ния адсорбц ионного равнове сия. В те че ние этоговре м е нип е риодиче скип овторяю твстряхивание . П ока в растворах с у гл е м у станавл ивае тся адсорбц ионное равнове сие , изм е ряю т п ове рхностное натяже ние п риготовл е нны х растворов (бе з у гл я) в п орядке возрастания конц е нтрац ии. И зм е ре ния п роводятодним из п ол у статиче ских м е тодов: 1) сче та кап е л ь (стал агм ом е триче ский м е тод); 2) м аксим ал ьногодавл е ния в п у зы рьках (на п риборе Р е бинде ра); 3) отры ва кол ьц а (на п риборе Д ю -Н у и). 1. М е тод сче та кап е л ь Ф изиче ские основы стал агм ом е триче ского м е тода закл ю чаю тся в сл е ду ю щ е м . В м ом е нт отры ва кап л и жидкости от нижне го конц а ве ртикал ьной тру бки е е ве с Р у равнове ш ивае тся сил ой п ове рхностного натяже ния Fσ, которая де йству е твдол ь п е рим е тра ш е йкикап л иип ре п ятству е те е отры ву . В п е рвом п рибл иже ниим ожносчитать, что F σ=2πRσ , (11) где R -вну тре нний радиу с тру бки. Т ак как в м ом е нтотры ва F σ =P, то, оп ре де л ив ве с кап л иР, м ожновы числ ить п ове рхностное натяже ние . Е сл и п ри вы те кании объ е м а жидкости V образовал ось n кап е л ь, то ве с одной кап л и Р раве н Р = Vρg/n , где ρ - п л отность , g - у скоре ние свободногоп аде ния. П риотры ве кап л иР = F σ и Vρg = 2πRσ . n

Д л я стандартной жидкости (с изве стны м п ове рхностны м натяже нием)

Vρ 0 g = 2πRσ 0 . n0

П оде л ив одновы раже ние на дру гое , п ол у чим

11

ρ n0 σ ρ n0 = , отку да σ = σ 0 . ρ0 n σ 0 ρ0 n

(12)

Д л я оп ре де л е ния числ а кап е л ь, образу е м ы х п ри вы текании оп ре де л е нногообъ е м а жидкости, п ол ьзу ю тся стал агм ом е тром (рис.3). О н п ре дставл яе тсобой сте кл янну ю тру бку с расш ире ние м п осе ре дине , заканчиваю щ у ю ся кап ил л яром . И ногда тру бка им е е т горизонтал ьну ю часть (рис.3), в котору ю вп аян тонкий кап ил л яр, чтобы зам е дл ить исте че ние жидкости. В ы ш е иниже расш ире ния нане се ны м е тки, ограничиваю щ ие объ е м V. Д л я расче та σ оп ре де л яю тчисл о кап е л ь n 0 и n. И х образу ю т соотве тстве нно стандартная жидкость Р ис.3. С тал агм ом е тры (обы чно дистил л ированная вода) и иссл е ду е м ая жидкость п ривы те кании отве рхне й донижне й м е тки. С тал агм ом е триче ская у становка изображе на схе м атиче ски на рис.4. И зм е ре ния п роводятсл е ду ю щ им образом . П е ре кры в кран 1, п ри откры том кране 2 сл е гка сжим аю тре зинову ю гру ш у 3, п осл е че го кран 2 закры ваю т. П рип одняв кю ве ту (стаканчик) 4, п огру жаю ткончик стал агм ом е тра в иссл е ду е м у ю жидкость (кю ве та дол жна бы ть зап ол не на на ~ 3/4 объ е м а). С л е гка п риоткры в кран 1, м е дл е ннозасасы ваю тжидкость в стал агм ом е тр. К ак тол ьком е ниск п е ре се че тве рхню ю м е тку , не м е дл е нно закры ваю ткран 1, ноне оп у скаю ткю ве ту . Н е обходим о вы ждать не которое вре м я, п ока не п ре кратится п овы ш е ние у ровня жидкости в стал агм ом е тре , иначе в не го п оп аде твозду х. К огда м е ниск остановится, кю ве ту оп у скаю т на стол ик. Ж идкость начинае т м е дл е нноп окап л ям вы те кать из стал агм ом е тра. П рибор сообщ ае тся с атм осф е рой че ре з тончайш ий кап ил л яр 5, бл агодаря че м у достигае тся достаточном ал ая скорость образования кап е л ь (одна кап л я за ~ 10-15 с). К ак тол ько м е ниск достигае т ве рхне й м е тки, начинаю т сче т кап е л ь, п ри достиже нии нижне й м е тки заканчиваю т. С растворам и каждой конц е нтрац ии (начиная с дистил л ированной воды ) Рис.4. С тал агм ом е триче ская у становка п роводят изм е ре ния не м е не е тре х раз. П о окончании работы стал агм ом е тр п ром ы ваю тдистил л ированной водой. Р е зу л ьтаты изм е ре ний зап исы ваю тв табл иц у 2:

12 № конц е нтрац ия, Р аствора м ол ь/л

Числ окап е л ь,n

Т абл иц а 2. сре дне е σ·10 3 , значе ние , Н \м n

1 2 3 П ове рхностное натяже ние рассчиты ваю тп о ф орм у л е (12). Значе ние σ0 п ри тем п е рату ре оп ы та бе ру тиз сп равочника л ибо рассчиты ваю тп о ф орм у л е σ0 = σ + α (T- 293), (13) где σ - п ове рхностное натяже ние воды п ритем п е рату ре 293 0К (72,75м Н /м ); α - тем п е рату рны й коэф ф иц ие нтп ове рхностного натяже ния (дл я воды α = -0,15 м Н /м ⋅К ). О тнош е ние ρ /ρ 0 дл я исп ол ьзу е м ы х в растворе разбавл е нны х растворов П АВ м ожноп ринять равны м е диниц е . В табл иц у вносяттакже данны е дл я воды (С = 0). 2. М е тод м аксим ал ьногодавл е ния в п у зы рьках М е тод основан на изм е ре нии кап ил л ярного давл е ния в п у зы рьке газа (возду ха), вы давл ивае м ом че ре з кап ил л яр в иссл е ду е м у ю жидкость. Е сл и п ом е стить на п ове рхность жидкости кончик сте кл янной кап ил л ярной тру бки, сое дине нной с источником давл е ния, затем п овы сить давл е ние в кап ил л яре , топ ове рхность жидкости в не м искривл яе тся (считае м , чтов начал ьны й м ом е нтона п л оская). Р адиу с кривизны образовавш е гося м е ниска у м е ньш ае тся п ом е ре образования п у зы рька (рис. 5). П риэтом возникае ткап ил л ярное давл е ние , равное P к = 2 σ/R , (14) где R – радиу с кривизны п ове рхности. О норавноп ове л ичине ип ротивоп ол ожноп онап равл е нию избы тку вне ш не годавл е ния ∆P, п од де йствие м которогоп роисходитобразование п у зы рька. Р ис.5 Т .е . в кажды й м ом е нтвре м е ни вне ш не е давл е ние у равнове ш ивае тся кап ил л ярны м давл е ние м состороны сте нкип у зы рька. В соотве тствиис у равне ние м (1), кап ил л ярное давл е ние возрастае т от0 (R = ∞) дом аксим ал ьногозначе ния, когда п у зы ре к п риним ае тф орм у п ол у сф е ры (R достигае т м иним ал ьного значе ния, равного радиу су п росве та кап ил л яра r). В этот м ом е нт п роисходитотры в п у зы рька. Н а сам ом де л е , п ри дал ьне йш е м у ве л иче нии вне ш не годавл е ния радиу с кривизны п у зы рька начинае твозрастать, кап ил л ярное давл е ние п адае тиу же не м оже ту равнове сить вне ш не е давл е ние . Т аким образом , в м ом е нтотры ва п у зы рька

13 P к = 2 σ / r. (15) И з у равне ния (2) л е гкорассчитать ве л ичину σ, зная радиу с кап ил л яра r и оп ре де л ив P к п о разности у ровне й жидкостногом аном е тра, сое дине нногос кап ил л яром . Чтобы избе жать оп ре де л е ния r иP к исп ол ьзу ю тстандартну ю жидкость с изве стны м п ове рхностны м натяже ние м . У равне ние (15) дл я стандартной жидкости: (Pк ) 0 = 2 σ0 /r . П у те м де л е ния Рк на (P к ) 0 п ол у чим : Рк /(P к ) 0 = σ /σ0. Т .к. давл е ние п роп орц ионал ьноразностиу ровне й п однятия жидкостив м аном е тре , тоσ /σ0 = h/h 0 , отку да σ = σ0 h/h 0 = Кh , (16) где h и h 0 – разность у ровне й в м аном е триче ской тру бке в м ом е нтп роскока соотве тстве ннодл я исп ы ту е м ой истандартной жидкости. В е л ичина К явл яе тся константой п рибора п ри изм е ре нии с одним и те м же кап ил л яром и п ри п остоянном накл оне м аном е тра. С л е ду е тобращ ать вним ание , чтокончик кап ил л яра дол же н л иш ь касаться п ове рхности жидкости ине дол же н бы ть п огру же нны м вгл у бь раствора. В ы п ол не ние работы С хе м а п рибора П .А.Р е бинде ра дл я оп ре де л е ния п ове рхностного натяже ния п ре дставл е на на рис.6. И ссл е ду е м ы й раствор нал ивае тся в ваку у м ну ю п робирку 1, им е ю щ у ю боковой отросток, с п ом ощ ью которого она сое дине на с источником разре же ния 2 (асп иратором ) и накл онны м м аном е тром 3. С те кл янная тру бка 4, заканчиваю щ аяся кап ил л яром ,закре п л яе тся в п робирке так, чтобы кончик кап ил л яра тол ько касал ся п ове рхностижидкости. И збы ток давл е ния в кап ил л ярной тру бке создаю т, образу я разре же ние в п робирке п у тём вы п у скания жидкости из асп иратора 2. О тводная тру бка асп иратора заканчивае тся ре зиновы м ш л ангом с винтовы м зажим ом дл я ре гу л ирования скорости нарастания п е ре п ада давл е ния в систе м е и, значит, скорости образования п у зы рьков. Р ис.6 С хе м а п рибора Р е бинде ра Д л я изм е ре ния давл е ния обы чно исп ол ьзу ю т накл онны й м аном е тр (3),

14 которы й обе сп е чивае тбол е е вы соку ю точность. В каче стве м аном е триче ской жидкости сл у житп одкраш е нны й тол у ол . У гол накл она м аном е тра п одбираю ттаким образом , чтобы в се рии изм е ре ний отсчёту ровня в м ом е нтп роскока п у зы рька дл я жидкости с наибол ьш им значе ние м σ находил ся в коне чной части ш кал ы . Э топ озвол яе ту м е ньш ить относите л ьну ю ош ибку п ри отсчёте п оказаний м аном е тра. П ри работе с водны м и растворам иу гол накл она у станавл иваю тп оводе . К ран 5 сое диняе тасп иратор с систе м ой, кран 6 п озвол яе тсое динить систе м у с атм осф е рой, не у м е ньш ая (п ри закры том кране 5) разре же ния, достигну тогов асп ираторе : расш ире ние 7 сл у житл ову ш кой, п ре дотвращ аю щ е й п оп адание м аном е триче ской жидкости в систем у . И зм е ре ние п ове рхностногонатяже ния п роисходитсл е ду ю щ им образом . В аку у м ну ю п робирку икап ил л яр п ром ы ваю тхром овой см е сью , а затем водоп роводной и дистил л ированной водой. С л е ду е т п ом нить, что не значите л ьны е жировы е загрязне ния су щ е стве нновл ияю тна п ове рхностное натяже ние водны х растворов. П оэтом у не доп у стим окасаться кап ил л ярного кончика ру кам и, кл асть кап ил л яр на л абораторны й стол и т.д. Р аствор (ил и стандартная жидкость) нал ивае тся в п робирку дом е тки. П риработе с органиче ским ижидкостям ип робирку икап ил л яр сл е ду е твы су ш ивать. К ап ил л ярну ю тру бку закре п л яю тв п робирке так, чтобы она бы л а п арал л е л ьна осип робирки бе з п е ре косов, а коне ц кап ил л яра л иш ь касал ся п ове рхности жидкости. Е сл и кап ил л ярны й кончик п огру жае тся в жидкость, тоизбы ток е ё м ожноу дал ить засасы вание м в расш ире ние над кап ил л яром , п ока не п ре рвётся контакткап ил л яра с п ове рхностью . О тбросив избы ток жидкости, п овторно у станавл иваю т кап ил л яр в п робирку . П одкл ю чаю т п робирку к систем е п ри кране 6, откры том на атм осф е ру (п ол оже ние а, рис.6). О тм е чаю тначал ьное п ол оже ние м е ниска жидкости в м аном е тре h 1 , когда систе м а сообщ ае тся с атм осф е рой, откл ю чаю тсисте м у отатм осф е ры (п ол оже ние b, рис.6). О ткры ваю ткран 5 и кран асп иратора. П од де йствие м возрастаю щ е й разности давл е ний ∆P над жидкостью в кап ил л яре начинае тся м е дл е нное ф орм ирование п у зы рька у кап ил л ярногокончика. У рове нь жидкостив м аном е тре п овы ш ае тся. В м ом е нтотры ва п у зы рька давл е ние ре зкоп адае тизатем снова м е дл е нновозрастае т. О тм е чаю тп ол оже ние м е ниска в м аном е тре в м ом е нтотры ва п у зы рька h 2 . О п ре де л е ние п овторяю т3 раза ибе ру тсре дне е значе ние . В начал е п роводятизм е ре ние стандартной жидкости, затем иссл е ду е м ой. В каче стве стандартной жидкости обы чно сл у житдистил л ированная вода, п е ре гнанная над К М nО 4 . Р асчёт п ове рхностного натяже ния п роизводят п о ф орм у л е (16), п ричём h = h 2 – h 1 , где h 2 – п ол оже ние м е ниска в м ом е нтотры ва, h 1 – исходное п ол оже ние .

15 3. М е тод отры ва кол ьц а М е тод основан на изм е ре нии у сил ия, не обходим огодл я отры ва п ровол очногокол ьц а отп ове рхностижидкости. П ри п однятии кол ьц а, соп рикасаю щ е гося с п ове рхностью жидкости, вм е сте с кол ьц ом бл агодаря см ачиванию и адге зии п одним ае тся стол бик жидкости (рис.7). П рил оже нная сил а F равна ве су вы тягивае м ой жидкостиР. Р азры ву стол бика жидкости п ре п ятству е тсил а п ове рхностного натяже ния Fσ , де йству ю щ ая п о п е рим е тру см ачивания иравная F σ =4π Rσ. К огда вы тягиваю щ ая сил а (и ве с стол ба жидкости) становятся равны м и сил е п ове рхностного натяже ния Fσ , п роисходитразры в стол бика, икол ьц ос п рил ип ш е й к Р ис.7 не м у жидкостью отры вае тся от п ове рхности. В м ом е нтотры ва кол ьц а F= Fσ = 4π Rσ. (17) И зм е рив с п ом ощ ью чу вствител ьногодинам ом е тра F изная R, л е гко рассчитать σ. У равне ние (17) не вп ол не точно. О но п ре дп ол агае т, что п одним ае м ы й стол бик жидкостиим е е тф орм у п ол огоц ил индра с тол щ иной сте нок, равной диам е тру п ровол оки, однакоэтоне вы п ол няе тся в де йствите л ьности. Х аркинсом в у равне ние (17) бы л вве де н п оп равочны й коэф ф иц ие нт f, у читы ваю щ ий ф орм у стол ба вы тягивае м ой жидкости. Е сл и радиу с кол ьц а ве л ик п осравне нию с радиу сом п ровол оки (R>>r) и е сл и не тре бу е тся вы сокой точности оп ре де л е ния, том ожноп ринять f ≅1 и в таком сл у чае п ове рхностное натяже ние м ожно изм е рять относите л ьны м м е тодом , т.е . п рокал ибровать ш кал у изм е рите л ьногоп рибора п остандартной жидкости с изве стны м п ове рхностны м натяже ние м . Д л я стандартной жидкостиу равне ние (17) зап иш е тся в виде F 0 = 4π Rσ0 . (18 ) Д е л я у равне ние (17) на (18), п ол у чим : F/F0 = σ /σ0 = n /n 0, где n иn 0 – отсче ты п ош кал е л им ба дл я исп ы ту е м ой истандартной жидкости, п роп орц ионал ьны е сил е отры ва. О тсю да п ове рхностное натяже ние иссл е ду е м ой жидкостиравно: σ = σ0 ⋅ n /n 0= K⋅ n. (19)

16 Значе ние K – п остоянная п рибора дл я данного кол ьц а п ри не изм е нном натяже ниинити. М е тод отры ва кол ьц а достаточноп рост, точе н, однакоп рие говы п ол не нии не обходим о собл ю дать ряд у сл овий: 1) кол ьц о дол жно бы ть п л оским ип ол ностью см ачиваться жидкостью (п рине п ол ном см ачивании п ол у чаю тся заниже нны е ре зу л ьтаты ); 2) п л оскость кол ьц а и п ове рхность жидкости дол жны бы ть строго п арал л е л ьны ; 3) п ове рхность жидкости дол жна бы ть достаточно ве л ика, чтобы искл ю чить вл ияние м е ниска у стенкисосу да; 4) не доп у стим осотрясе ние п рибора в ходе изм е ре ния. Вы п ол н ен и е р аботы О бы чнодл я изм е ре ния сил ы отры ва кол ьц а исп ол ьзу ю тп рибор Д ю -Н у и. Т е нзиом е тр Д ю -Н у и(рис.8) им е е ту п ру гу ю (стал ьну ю ) нить 1, к которой п рикре п л е нокором ы сл о2 с крю чком . Н а крю чок п одве ш ивае тся п л атиновое кол ьц о3 с ду жкой. Н ить натягивае тся изакре п л яе тся таким образом , чтобы кором ы сл ос п одве ш е нны м на не гокол е чком находил ось в горизонтал ьном п ол оже нии, когда у казате л ь 4 стоитна ну л е п оотсче тном у л им бу 5. И ссл е ду е м у ю жидкость в ш ироком бю ксе п ом е щ аю тна стол ик 6, которы й м оже тп е ре м е щ аться п ове ртикал и. П рип ол оже нииу казате л я на отм е тке 0 стол ик с раствором п одним аю твращ е ние м ру коятки7 доте х п ор, п ока кол ьц оне косне тся п ове рхностижидкости. Зате м у п ру гу ю м е тал л иче ску ю нить 1 закру чиваю тп ротив часовой стре л ки, вращ ая ру коятку . П риэтом кором ы сл у с п одве ш е нны м на не го кол ьц ом сообщ ае тся у сил ие , нап равл е нное вве рх и стре м ящ е е ся оторвать кол ьц о от п ове рхности жидкости. П ри закру чивании нити у казате л ь п е ре м е щ ае тся п ош кал е л им ба. О тм е чаю тп оказание ш кал ы , отве чаю щ е е м ом е нту отры ва кол ьц а отп ове рхностижидкости. Р ис.8. П рибор Д ю -Н у и Д л я п овторногоизм е ре ния возвращ аю ту казате л ь в ну л е вое п ол оже ние , вращ ая ру коятку в обратном нап равл е нии. П ри этом кол ьц о вновь соп рикасае тся с п ове рхностью жидкости. П е рвы й (орие нтировочны й) отсче тде л аю тп ри достаточно бы стром закру чивании нити. П осл е ду ю щ ие 2-3 рабочие изм е ре ния п роводят, закру чивая нить м е дл е нноип л авно. Р асхожде ния м е жду п арал л е л ьны м и оп ре де л е ниям и не дол жны п ре вы ш ать 0,5-1,0 де л е ния ш кал ы . О собое вним ание сл е ду е т обращ ать на осторожность п ри работе с кол ьц ом , которое изготовл е но из тонкой п ровол оки и л е гко де ф орм иру е тся п рине осторожном обращ е нии. П осл е каждогоизм е ре ния кол ьц оне -

17 обходим ооп ол аскивать в дистил л ированной воде ивы су ш ивать, п ол ожив на ф ил ьтровал ьну ю бу м агу . П осл е вы де рживания растворов с у гл е м не обходим ое вре м я растворы ф ил ьтру ю т и изм е ряю т п ове рхностное натяже ние ф ил ьтратов. Д анны е также зап исы ваю тв табл иц у . О бр аботк а р езул ьтатов а) П острое ние изотерм ы адсорбц ииП АВ на п ове рхностиразде л а раствор – возду х ирасче тадсорбц ионны х характе ристик м ол е ку л П АВ . И сп ол ьзу ю т л ибо граф иче ский м е тод, л ибо расче тп о у равне ниям Л е нгм ю ра иШ иш ковского(п оу казанию п ре п одавате л я). П орядок расче та п рип острое нииизотерм ы адсорбц ии с п ом ощ ью у равне ний Л е нгм ю ра иШ иш ковского 1. С троят криву ю зависим ости σ от С (рис.9). Н а эксп е рим е нтал ьной кривой зависим ости σ (С ) вы бираю т5-6 точе к, вы числ яю тдл я них ∆ σ и lnС . С троятграф ик зависим ости∆σ (lnС ) (рис.10). 2. П онакл ону п рям ой ∆σ (lnС ) находятве л ичину константы а у равне ния Ш иш ковского (как танге нс у гл а накл она) и рассчиты ваю тп ре де л ьну ю адсорбц ию А ∞ , исп ол ьзу я Р ис.9. И зотерм а п ове рхноф орм у л у (6). стногонатяже ния П ри расче те накл она п рям ой ∆σ (lnС ) не обходим о п ом нить, что дл ины кате тов тре у гол ьника, вы бранного дл я расче та, дол жны бы ть вы раже ны в е диниц ах тех ве л ичин, которы е отл оже ны на осях координат, с у че том м асш таба. 3. Э кстрап ол иру ю тп рям у ю ∆σ (lnС ) до Р ис.10. Зависим ость ∆σ п е ре се че ния с л иние й (норм ал ью к оси абс- (lnС ) ц исс), п роходящ е й че ре з точку lnС = 0, и находятординату точки п е ре се че ния. С огл асно у равне нию (7), п ри lnС = 0 ∆σ = а lnb. И сп ол ьзу я найде нны е значе ния а и∆σ, рассчиты ваю тb. В е л ичина b равна К в у равне нииЛ е нгм ю ра (е диниц а изм е ре ния константы а- Д ж/м 2 , К - л /м ол ь). 4. П оу равне нию Л е нгм ю ра рассчиты ваю тзначе ние А дл я разл ичны х конц е нтрац ий и строятизотерм у адсорбц ии А (С ). Н е обходим ы е дл я расче та данны е зап исы ваю тв табл иц у 3:

18

Т абл иц а 3 Адсорбц ия А ·10 6 , м ол ь/м 2

КС 1+КС КС /1+КС К онц е нтрац ия раствора П АВ , м ол ь/л 5. В ы числ яю тзначе ние п л ощ ади м ол е ку л ы S m (в м 2 ) и тол щ ины адсорбц ионногосл оя h (в м ) п оф орм у л ам (8) и(9).

1.

2. 3.

4.

П орядок расче та п рип острое нииизотерм ы адсорбц ии граф иче ским м е тодом С трояткриву ю зависим ости σ отС (рис.11,а). Н а эксп е рим е нтал ьной кривой зависим ости σ (С ) вы бираю т5-6 точе к, п роводятк ним касател ьны е (м е тодом зе ркал а) и оп ре де л яю тотре зки z. (Д л ину отре зков вы ражаю тв е диниц ах п ове рхностногонатяже ния.) В ы числ яю тзначе ния Г п оф орм у л е (2) истроятизоте рм у адсорбц ииГ =f(С ). В ы числ яю тзначе ния С /Г и строятграф ик зависим ости С /Г = f (С ). П о граф ику находятконстанты Г ∞ (равняе тся котанге нсу у гл а накл она α) и k (у читы вая, что отре зок, отсе кае м ы й п рям ой на оси ординат, раве н 1/ Г ∞ k). Н е обходим ы е дл я расче та данны е зап исы ваю тв табл иц у 4. Рис.11 П острое ние изоте рм ы адВ ы числ яю тзначе ние п л ощ ади м ол е ку - сорбц ии 2 п оизотерм е п ове рхнол ы S m (в м 2 ) и тол щ ины адсорбц ионно- стногонатяже ния 1 госл оя h (в м ) п оф орм у л ам (8) и(9).

Т абл иц а 4. № п /п

К онц е нтрац ия раствора П АВ , м ол ь/л

σ, м Н /м

Z,м Н /м

Г , м ол ь/м 2 С /Г

19

б) Р асче ту де л ьной п ове рхностиактивированногоу гл я 1.Н а п острое нном ране е граф ике зависим ости σ (С ) строятизоте рм у п ове рхностного натяже ния σ′ (С ) п осл е адсорбц иина у гл е (рис.12). 2. П о п овы ш е нию п ове рхностного натяже ния растворов п осл е адсорбц ии на у гл е находятграф иче ским п у те м остаточну ю равнове сну ю конц е нтрац ию П АВ С р . Д л я этого исп ол ьзу ю ткриву ю σ (С ) как кал ибровочну ю . С хе м а оп ре де л е ния С р дл я л ю бого раствора с исходной конц е нтрац ие й С п оказана на Р ис.12. И зотерм ы п ове рхностного рис.12. натяже ния доип осл е адсорбц иина Адсорбц ию П АВ на у гл е Г ′ (в м ол ях на активированном у гл е 1 г адсорбе нта) рассчиты ваю тп оф орм у л е Г ′ = (С - С р)⋅V/m , (15) где V - объ е м раствора (л ); m - наве ска адсорбе нта (г). Р е зу л ьтаты расче та зап исы ваю тв табл иц у 5. Т абл иц а 5 № образц а

К онц е нтрац ия П АВ , м ол ь / л И сходная С

Р авнове сная С р

С – С р, м ол ь/л

Г ′, м ол ь / г

3. С троятизотерм у адсорбц иина у гл е Г ′ ( С р). П ограф ику находят п ре де л ьное значе ние адсорбц ииГ ′ ∞ . Е сл ина изотерм е не ту частка, отве чаю щ е гоп ре де л ьной адсорбц ии, п осту п аю тп оу казанию п ре п одавате л я. 4. В ы числ яю ту де л ьну ю п ове рхность активированногоу гл я п оф орм у л е (10), исп ол ьзу я значе ние м ол е ку л ярной п л ощ адкиS m, п ол у че нное в п е рвой частиработы . К он тр ол ьн ы е воп р осы и уп р аж н ен и я 1. Д айте оп ре де л е ние п онятий “свободная п ове рхностная эне ргия” и “п ове рхностное натяже ние ”. В каких е диниц ах ониизм е ряю тся? П окажите эквивал е нтность этих е диниц . 2. К акие ве щ е ства назы ваю тся п ове рхностно-активны м и? В че м закл ю чае тся м ол е ку л ярны й м е ханизм сниже ния п ове рхностногонатяже ния в п рису тствии П АВ ? П оче м у NaCl явл яе тся п ове рхностно-инактивны м , а C nH 2n+1 COONa - п ове рхностно-активны м ве щ е ством ?

20 3. К ак найти значе ния констант у равне ния Л е нгм ю ра с п ом ощ ью изоте рм ы п ове рхностного натяже ния? Р ассчитайте значе ние п ове рхностной активностиВ аш е гоП АВ с исп ол ьзование м этих констант. 4. К акие ве л ичины характе ризу ю тм ол е ку л ярну ю стру кту ру насы щ е нного адсорбц ионного сл оя? К ак их рассчитать? К ак дол жны изм е няться этиве л ичины в гом ол огиче ском ряду П АВ ? 5. О ткаких ф акторов зависитве л ичина п ре де л ьной адсорбц ии (А ∞ ) П АВ на границ е разде л а жидкость-газ и жидкость-тве рдое те л о? П риве дите п рим е ры исп ол ьзования явл е ний адсорбц ии в биол огии и п очвове де нии. Р абота2. О П Р Е ДЕ Л Е Н И Е Э Л Е К ТР О К И Н Е ТИ Ч Е С К О ГО П О ТЕ Н Ц И АЛ А ЗО Л Я М Е ТО ДО М Э Л Е К ТР О Ф О Р Е ЗА Н а п ове рхности разде л а ф аз в дисп е рсны х систе м ах, как п равил о, су щ е ству е т двойной эл е ктриче ский сл ой (Д Э С ) ионов. О н возникае т всл е дствие адсорбц ии ионов из окру жаю щ е й сре ды л ибо за сче тдиссоц иац иим ол е ку л (атом ны х гру п п ) на п ове рхностите л а. И оны , находящ ие ся на п ове рхности (п отен ци ал ооп р ед ел я ю щ и е ионы ), создаю твбл изи п ове рхности инте нсивное эл е ктриче ское п ол е , которое п ритягивае т ионы п ротивоп ол ожного знака (п р оти вои он ы ). Э том у п ре п ятству е ттеп л овое движе ние , п од де йствие м которогоионы стре м ятся диф ф у ндировать в объ е м дисп е рсионной сре ды . В ре зу л ьтате сл ой п ротивоионов п риобре тае тд и ф ф узн ое строе ние и у станавл ивае тся равнове сное расп ре де л е ние их вбл изи п ове рхности, п ри котором конц е нтрац ия п ротивоионов у м е ньш ае тся п ооп ре де л е нном у закону с у дал е ние м отп ове рхности. Э л е ктроне йтрал ьны й ком п л е кс, вкл ю чаю щ ий заряже нну ю кол л оидну ю частиц у иокру жаю щ ий е е сл ой п ротивоионов, назы вае тся м и цел л ой (рис.1).

21

Р ис.1 С трое ние м иц е л л ы С огл асно совре м е нны м п ре дставл е ниям , не которое числ о п ротивоионов п рочно связано с ядром м иц е л л ы в ре зу л ьтате де йствия как эл е ктростатиче ских, так и адсорбц ионны х сил , и образу е т ад сор бци он н ы й сл ой п ротивоионов (сл ой Ш терна). О стал ьны е образу ю т д и ф ф узн ы й сл ой (сл ой Г у и) (см .рис.1). П рим е ром образования отриц ате л ьного п ове рхностного эл е ктриче ского заряда у не растворим ого ве щ е ства за сче тионизац ии явл яе тся оксид кре м ния (1У ) в воде (основная составная часть п очв). С трое ние м иц е л л ы м оже тбы ть вы раже но ф орм у л ой, которая отражае тп рироду дисп е рсной ф азы , п рироду и расп ре де л е ние п оте нц иал оп ре де л яю щ их ионов ип ротивоионов : М иц е л л а { m [SiO 2 ] ⋅ n SiO -⋅ (n-x) H + ] x- xH + агре гат ядром иц е л л ы частиц а Зде сь агре гат- кристал л ик SiO 2 , соде ржащ ий m м ол е ку л ; ядром иц е л л ы - агре гатвм е сте с адсорбированны м и на е го п ове рхности n п оте нц иал ооп ре де л яю щ им и ионам и ( SiO - ),частиц а - эл е ктриче ски заряже нны й ком п л е кс ( с зарядом х - ) , вкл ю чаю щ ий ядром иц е л л ы и (n-х) п ротивоионов H + ( x< n). Э топ ротивоионы сл оя Ш те рна, а также не которая часть п ротивоионов диф ф у зного сл оя, у вл е кае м ая частиц е й п ри е е движе нии в жидкой сре де . Заряд частиц ы ( х - ) ком п е нсиру е тся п ротивоионам и( х H +) окру жаю щ е гое е диф ф у зногосл оя. К аждая точка эл е ктриче ского п ол я в Д Э С характе ризу е тся оп ре де л е нны м значе ние м п отенц иал а ϕ. О н раве н ϕ 0 на п ове рхности (х = 0) и п адае тдо0 на вне ш не й границ е Д Э С . С у дал е ние м отм е жф азной грани-

22 ц ы п отенц иал п адае ткру то (п оп рям ой) в сл ое Ш терна и бол е е п ол ого( п окривой), в диф ф у зном сл ое (cм . рис.1 ). К ривая п аде ния п отенц иал а ϕ(х) в диф ф у зной частиД Э С (п рим ал ы х значе ниях ϕ 0) оп исы вае тся у равне ние м ϕ = ϕ 0 ⋅ e -χx , (1) где x - расстояние отграниц ы сл оя Ш те рна до данной точки ; 1/χ =λ.. λ - эф ф ек ти вн ая тол щ и н а диф ф у зной части Д Э С . Ф изиче ский см ы сл λ сл е ду е тиз у равне ния (1): п рих = λ ϕ = ϕ 0 /е, т.е . λ - эторасстояние , на котором п оте нц иал Д Э С у м е ньш ае тся в е раз. П ри м ал ой ионной сил е cре ды λ составл яе тсотни наном е тров. Т е ория Д Э С дае т сл е ду ю щ е е вы раже ние дл я расче та λ : λ=1/χ=√εε 0 RT/2F 2J , (2) где ε- относите л ьная диэл е ктриче ская п рониц ае м ость cре ды ; ε 0 эл е ктриче ская п остоянная; F - числ оФ араде я; J - ионная сил а . К ак п оказы вае тф орм у л а (2), λ у м е ньш ае тся с п овы ш е ние м J , т.е . п ри вве де нии в зол ь эл е ктрол итов диф ф у зны й Д Э С “сжим ае тся”. (С л е ду е тзам е тить, чтоим е ю тся в виду так назы вае м ы е и н д и ф ф ер ен тн ы е эл е ктрол иты , т.е . те, которы е не им е ю тионов, сп особны х адсорбироваться и достраивать кристал л иче ску ю ре ш е тку частиц ы и, сл е довате л ьно, не м огу тм е нять ϕ 0 .) Е сл и кол л оидны й раствор п ом е стить вовне ш не е эл е ктриче ское п ол е , то набл ю дае тся эл ек тр оф ор ез - кол л оидная частиц а движе тся к одном у из эл е ктродов, а п ротивоионы - к дру гом у эл е ктроду . П ри этом часть п ротивоионов движе тся вм е сте с частиц е й: это, как отм е чал ось вы ш е , п ротивоионы сл оя Ш те рна, а также та часть п ротивоионов диф ф у зного сл оя, которая закл ю че на в сл ое раствора, п рим ы каю щ е м к п ове рхности и движу щ е м ся с не ю в сил у гидродинам иче ских законов. П оэтом у п оте нц иал на г р ан и це ск ол ьж ен и я не раве н ϕ 0, а все гда м е ньш е е го( рис.2). П отенц иал двойного эл е ктриче ского сл оя, отве чаю щ ий границ е скол ьже ния, назы вае тся эл ек тр ок и н ети ч еск и м ил и ζ-п оте нц иал ом . ζп оте нц иал частиц явл яе тся важной характе ристикой зол я, т.к. обы чно обнару живае тся п рям ая связь м е жду этой ве л ичиной и агре гативной у стойчивостью систе м ы . П риу ве л иче ниив систем е конц е нтрац иииндиф ф е ре нтногоэл е ктрол ита п роисходитвсе бол ьш е е сжатие диф ф у зного Д Э С и ζ- п оте нц иал п онижае тся, п ока не стане травны м ну л ю , чтоотве чае т и зоэл ек тр и ч еск ом у состоя н и ю систе м ы (см .рис.2). С вязь м е жду ζ-п оте нц иал ом и скоростью эл е ктроф оре за оп исы вае тся у равне ние м Г е л ьм гол ьц а - С м ол у ховского:

23 U =

εε 0 H , η

(3)

где η - вязкость дисп е рсионной сре ды ; Н - нап ряже нность эл е ктриче скогоп ол я. Р ис.2 О днако это у равне ние не у читы вае тэф ф е кта эл ек тр оф ор ети ч еск ог о тор м ож ен и я , вы зы вае м ого вл ияние м вне ш не го п ол я на Д Э С : п од де йствие м п ол я п ротивоионы диф ф у зногосл оя п е ре м е щ аю тся в нап равл е нии, п ротивоп ол ожном движе нию частиц ы , вовл е кая в движе ние окру жаю щ у ю жидкость, так чтоэл е ктроф оре тиче ская скорость у м е ньш ае тся. П оэтом у у равне ние Г е л ьм гол ьц а-С м ол у ховского м оже т п рим е няться, л иш ь когда тол щ ина Д Э С нам ногом е ньш е разм е ра частиц ы : λ >1 ( п арам е тр χr назы ваю тбе зразм е рны м радиу сом частиц ы ). Э л е ктроф оре з находитш ирокое п рим е не ние в п ром ы ш л е нности, нап рим е р, в ф арф оровом п роизводстве дл я вы де л е ния из су сп е нзии гл ин чистого каол ина. Н аибол е е м е л кие отриц ате л ьно заряже нны е частиц ы каол ина п осл е тщ ате л ьного взм у чивания в воде осаждаю тся на вращ аю щ е м ся свинц овом барабане , заряже нном п ол ожител ьно. П осторонние п рим е си - чащ е все гоп ол ожите л ьно заряже нны е частиц ы Fe 2 O 3 , а также бол е е кру п ны е частиц ы коал ина у носятся водой. Э тотм е тод исп ол ьзу е тся также в борьбе с топ очны м и ды м ам и и п роизводстве нны м и п ы л ям и в ф ил ьтрах К оттре л я, п ри нане се нии п окры тий на п ове рхности сл ожны х конф игу рац ий, нап рим е р, гру нтовки ку зовов автом обил е й. В м е диц ине п рим е няю тэл е ктроф оре з как м е тод вве де ния л е карстве нны х п ре п аратов в организм че л ове ка. С у щ е ству ю тдва м е тода оп ре де л е ния скоростиэл е ктроф оре за. 1. М е тод м и к р оэл ек тр оф ор еза закл ю чае тся в не п осре дстве нном оп ре де л е ниискоростидвиже ния частиц ы с п ом ощ ью у л ьтрам икроскоп а. 2. М е тод м ак р оэл ек тр оф ор еза (ил и м е тод п е ре двигаю щ е йся границ ы ). О н закл ю чае тся в сл е ду ю щ е м : зол ь нал иваю тв U-образну ю тру бку (в нижню ю е е часть), све рху на не го насл аиваю тсл абы й раствор эл е ктрол ита (бокову ю жидкость). В не е п огру жаю т эл е ктроды и изм е ряю т скорость п е ре м е щ е ния границ ы м е жду зол е м и боковой жидкостью . В одном кол е не границ а п одним ае тся (частиц ы п е ре ходятв бокову ю жидкость), в дру гом – оп у скае тся (частиц ы движу тся в гл у бь зол я). К боковой жидкостип ре дъ явл яю тся сл е ду ю щ ие тре бования. 1. О на не дол жна вы зы вать коагу л яц ию зол я. 2.П осоставу (ионной сил е ) дол жна бы ть бл изка к м е жм иц е л л ярной жидкости. И наче п рип е ре ходе частиц в бокову ю жидкость бу де тм е няться тол щ ина диф ф у зной частиД Э С и, сл е довате л ьно, ζ-п оте нц иал . 3.Э л е ктроп роводность боковой жидкости дол жна бы ть равна (ил и чу ть бол ьш е ) эл е ктроп роводности зол я. Э тоне обходим одл я того, чтобы нап ряже нность вне ш не го п ол я Н бы л а одинакова в зол е и боковой жид-

24 кости, чтосп особству е тп ол у че нию бол е е ре зкой границ ы разде л а м е жду ним и. Э к сп ер и м ен тал ьн ая ч асть 1. М е тодика оп ре де л е ния скоростиэл е ктроф оре за. Р абота вы п ол няе тся с п ом ощ ью п рибора Чайковского дл я м акроэл е ктроф оре за (рис. 3). П рибор состоитиз тру бки 1 с дву м я граду ированны м икол е нам и, в которы е вставл яю тагаровы е сиф оны , сое диняю щ ие п рибор с источником тока че ре з контактну ю жидкость (раствор су л ьф ата м е ди). В сре дню ю тру бку 2 вставл яе тся на п робке п ип е тка 3 с иссл е ду е м ы м зол е м , кончик п ип е ткине доходитдодна на 1 - 2 м м . В тру бку (бе з п ип е тки) нал иваю тV м л боковой жидкости (п рим е рно до се ре дины вы соты нижне й части, ре ком е нду е м ое значе ние V у казано на п ане л и п рибора). Закре п л яю т тру бку в ш тативе . В боковы е кол е на п ом е щ аю т короткие конц ы агаровы х сиф онов, дл инны е конц ы п огру жаю тв раствор CuSO 4. И ссл е ду е м ы й зол ь засасы ваю тс п ом ощ ью гру ш ив п ип е тку 3 п рим е рно до се ре дины вы соты ш арика, п е ре кры ваю т кран. Зол ь дол же н бы ть бе з п у зы рьков возду ха п овсе й вы соте стол ба, вкл ю чая п росве ткрана. П ип е тку вставл яю тв сре дню ю часть яче йки 2. М е дл е нно и осторожнооткры ваю ткран п ип е тки. П риэтом зол ь дол же н м е дл е нновы те снять бокову ю жидкость в граду ированны е кол е на, образу я ре зку ю границ у разде л а с зол е м . К огда границ а дойде т п рим е рно до се ре дины боковы х тру бок, кран закры ваю т. П риэтом конц ы сиф онов дол жны бы ть п огру же ны в бокову ю жидкость. Е сл и границ ы п ол у чил ись разм ы ты м и, зап ол не ние п рибора не обходим оп овторить. П ош кал е отм е чаю тначал ьное п ол оже ние границ ы разде л а (вы бираю тодну из границ , бол е е че тку ю ). П одкл ю чаю т п рибор к источнику п остоянного стабил изированного нап ряже ния 100-120 В . В ы кл ю чате л е м , расп ол оже нны м на п ане л ип рибора, п одаю тнап ряже ние на эл е ктроды и одновре м е нно вкл ю чаю тсе ку ндом е р. О п ре де л яю твре м я, в те че ние которого границ а разде л а п е ре м е щ ае тся на оп ре де л е нное числ оде л е ний (обы чно2...5 де л е ний в зависим остиотскоростидвиже ния границ ы ). Зап исы ваю тп оказания ам п е рм е тра, изм е ряю щ е госил у тока в яче йке . О кончив изм е ре ния, вы кл ю чаю т п рибор, сним аю т эл е ктроф оре тиче ку ю

25 тру бку , вы л иваю т соде ржим ое , п ром ы ваю т дистил л ированной водой и закре п л яю тв п ре жне м п ол оже нии. Агаровы е сиф оны п ом е щ аю тв скл янку дл я исп ол ьзованны х сиф онов. О бъек ты и ссл ед ован и я Д л я изу че ния эл е ктроф оре за у добноисп ол ьзовать гидрозол ь се ры и зол ь гидроксида же л е за. Ги д р озол ь сер ы . П ри окисл е нии се роводорода кисл ородом возду ха ил иоксидом се ры (1У ) се ра вы п адае тв кол л оидном состоянии: 2H 2 S + SO 2 = 3S + 2H 2 O П рактиче скинаибол е е у добноп ол у чать зол ь сер ы из раствора тиосу л ьф ата натрия, де йству я на не госе рной кисл отой: Na 2 S 2O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + SO 2 + S + H 2 O Зол ь г и д р ок си д а ж ел еза (III) п ре дставл яе тсобой дисп е рсию не растворим ого в воде основания Fe (OH) 3, т.е . взве сь у л ьтрам икроскоп иче ских частиц гидроксида в воде . Зол ь п ол у чаю тм е тодом гидрол иза хл орида же л е за (III) п рип овы ш е нной те м п е рату ре (кип яче нии): FeCl 3 + 3H 2O ↔ Fe(OH) 3 ↓ + 3HCl Н е растворим ы й гидроксид же л е за (III) вы де л яе тся в виде у л ьтрам икроскоп иче ских частиц , образу я кол л оидны й раствор. Н а п ове рхности частиц адсорбиру ю тся ионы Fe(OH) 2 + (точне е FeO + ) - п оте нц иал оп ре де л яю щ ие ионы , которы е сообщ аю тчастиц ам п ол ожите л ьны й заряд. В каче стве п ротивоионов сл у жатионы Cl . Е сл и в раствор вве сти избы ток щ е л очи, п ове рхность частиц заряжае тся отриц ате л ьноза сче тадсорбц ииионов О Н . Вы п ол н ен и е р аботы В ариантI. О п р ед ел ен и е ζ-п отен ци ал аги д р озол я сер ы 50 г. кристал л иче скоготиосу л ьф ата натрия Na 2 S 2 O 3 ⋅ 5 H 2 O растворяю тв 30 м л воды . В стакан на 300 м л п рибавл яю т38 м л конц е нтрированной се рной кисл оты (ρ = 1,84 г/см 3). С такан п огру жаю тв м е л коистол че нны й л е д, тщ ате л ьноп е ре м е ш иваю ткисл оту им е дл е нноп рил иваю т к не й из кап е л ьной воронкип риготовл е нны й раствор тиосу л ьф ата натрия (работать п од тягой!). В ре зу л ьтате ре акц ииобразу е тся гу стая м асса бл е дно-же л тогоц ве та. К не й п рибавл яю т100 м л воды инагре ваю тна кип ящ е й водяной бане , изре дка п ом е ш ивая, в те че ние 30-60 м ин. П осл е охл ажде ния п ол у че нны й м ол очно-бе л ы й зол ь се ры отф ил ьтровы ваю тче ре з стекл янну ю вату . Зол ь се ры соде ржитзначител ьны й избы ток эл е ктрол итов, гл авны м образом се рной кисл оты ису л ьф ата натрия. Д л я у дал е ния п осл е дних зол ь сразу же п одве ргаю тп ол ной коагу л яц иип у тем п рибавл е ния к не м у не бол ьш огокол иче ства насы щ е нногораствора чистогохл орида натрия. П ол у че нны й осадок п осл е п ол ногоотстаивания отде л яю тот

26 жидкости, отжим ая м е жду л истам иф ил ьтровал ьной бу м агиип е п тизиру ю те гов дистил л ированной воде . Н е растворивш у ю ся в воде часть отде л яю тсл ивание м зол я в дру гой стакан. П ол у че нны й таким образом кол л оидны й раствор се ры обл адае твы сокой сте п е нью дисп е рсностииисп ол ьзу е тся дл я оп ре де л е ния ζ-п оте нц иал а. О п ре де л яю тскорость эл е ктроф оре за гидрозол я се ры , а также зол я, соде ржащ е гооп ре де л е нное кол иче ствоэл е ктрол ита (NaCl). В п е рвом сл у чае в каче стве боковой жидкостиисп ол ьзу ю траствор H 2SO 4 с таким же значе ние м эл е ктроп роводности, как в исп ы ту е м ом зол е ; вовтором – раствор эл е ктрол ита той же конц е нтрац ии, чтоив зол е . В этом сл у чае эл е ктроп роводность зол я ибоковой жидкостиобы чнобы ваю тп рактиче скиодинаковы м и. В м е рну ю кол бу на 50 м л вносятп ип е ткой 5 м л исходногозол я и доводятдом е ткидистил л ированной водой. С п ом ощ ью конду ктом е тра О К -102 ил и N-5721 изм е ряю ти зап исы ваю ту де л ьну ю эл е ктроп роводность χ п ол у че нногообразц а зол я. Д л я п риготовл е ния боковой жидкости вносятм е рны м ц ил индром в изм е рите л ьну ю яче йку конду ктом е тра 50 м л дистил л ированной воды , добавл яю тк не й п о кап л ям п ри п е ре м е ш ивании 3%-й раствор H 2 SO 4 , доводя эл е ктроп роводность до значе ния, п ол у че нного дл я зол я се ры (ил и чу ть вы ш е ). Зап ол няю т п риготовл е нны м раствором и зол е м эл е ктроф оре тиче ску ю яче йку и п роводятэл е ктроф оре з, как оп исано вы ш е . О п ре де л яю т вре м я (τ) п рохожде ния границ е й разде л а оп ре де л е нного числ а де л е ний (n). О п ре де л е ние п роводятне м е не е тре х раз. Зап исы ваю т п ол у че нны е данны е . Д л я изм е ре ний в п рису тствии эл е ктрол ита в м е рну ю кол бу на 50 м л вносят граду ированной п ип е ткой оп ре де л е нны й объ е м 0,5 М раствора NaCl, рассчитанны й исходя из тре бу е м ой конц е нтрац ии эл е ктрол ита в зол е (е е у казы вае тп ре п одавател ь). Затем добавл яю тв кол бу дистил л ированной воды ∼ 3/4 объ е м а, вносят5 м л исходногозол я идоводятдом е тки дистил л ированной водой. П осл е добавл е ния каждого ком п оне нта соде ржим ое кол бы п е ре м е ш иваю т. (Р азбавл е ние раствора NaCl п е ре д добавл е ние м зол я не обходим о, чтобы п ре дотвратить е гокоагу л яц ию .) И зм е ряю ти зап исы ваю ту де л ьну ю эл е ктроп роводность χ `1 п ол у че нногообразц а. Д л я п риготовл е ния боковой жидкости в дру гу ю кол бу на 50 м л вносяттотже объ е м 0,5 М раствора NaCl, доводятдом е тки, изм е ряю тэл е ктроп роводность. Е сл иχ 1 `0 и не все частиц ы ( а л иш ь наибол е е “горячие ” ) м огу те го п ре одол е ть. П ом е ре п овы ш е ния конц е нтрац ии эл е ктрол ита U max снижае тся, дол я эф ф е ктивны х соу даре ний растетискорость коагу л яц ииу ве л ичивае тся (м е дл е нная коагу л яц ия). К ривая 4 отве чае т насту п л е нию бы строй коагу л яц ии: п ри с=П Б К U max=0, п ри л ю бы х расстояниях п ре обл адаю т сил ы п ритяже ния. В се стол кнове ния становятся эф ф е ктивны м и, скорость коагу л яц ии достигае т п ре де л ьногоип остоянногозначе ния ( точка с4 , см .рис.1 ). Т аким образом , у сл овия насту п л е ния бы строй коагу л яц ии: U = 0; dU/ dh =0 ( у сл овие м аксим у м а ). (2) И з у равне ния (1) и у сл овий (2) теория Д Л Ф О п риводитк соотнош е нию : const c= ил и cz 6 = const , (3) 6 z где с - п орог бы строй коагу л яц ии; z - заряд коагу л иру ю щ е гоиона. С оотнош е ние (3) п оказы вае т, что п орог бы строй коагу л яц ии у м е ньш ае тся обратно п роп орц ионал ьно ш е стой сте п е ни заряда ионакоагу л янта. Д ру гим и сл овам и, коагу л иру ю щ ая сп особность ионов оче нь ре зко возрастае тс у ве л иче ние м их заряда (эта законом е рность бы л а изве стна ране е как эм п ириче ское п равил оШ у л ьц е -Г арди). Т ак, этоявл е ние п роявл яе тся п ри гип совании сол онц е ваты х п очв (т.е . п ри зам е не ионов натрия на ионы кал ьц ия) и изве стковании кисл ы х п очв (т.е . зам е не ионов водорода ионам и кал ьц ия). К ол л оиды п очв образу ю т п ри этом свое образну ю м икростру кту ру . П очва становится вл агоп рониц ае м ой, у ве л ичивае тся п рочность е е стру кту ры . Д л я одно-, дву х- итре хзарядны х ионов из вы раже ния (3) сл е ду е т: П Б К 1 : П Б К 11 : П Б К

111

=

1 1 1 : : = 64 : 1 : 0,09. 16 26 36

П ол у че нное соотнош е ние хорош осогл асу е тся с эксп е рим е нтал ьны м и данны м и в сл у чае так назы вае м ой к он цен тр аци он н ой к оагул я ци и , когда у м е ньш е ние эл е ктростатиче скогоп отенц иал ьногобарье ра оттал кивания достигае тся тол ько за сче т сжатия диф ф у зны х Д Э С частиц (п ри этом их п ове рхностны й заряд и п оте нц иал остаю тся не изм е нны м и). О но не вы п ол няе тся, е сл иу стойчивость зол я обе сп е чивае тся не эл е ктростатиче ским иф акторам и. П ом им о эл е ктрол итов, коагу л яц ия гидроф обны х кол л оидов м оже т бы ть вы звана см е ш ивание м с дру гим гидроф обны м зол е м , частиц ы которого им е ю тп ротивоп ол ожны й знак заряда. Э то явл е ние (взаим ная коагу л яц ия) исп ол ьзу е тся п ри очистке п итье вой воды раствором су л ьф ата

33 ал ю м иния, которы й образу е т п ри гидрол изе кол л оидну ю гидроокись ал ю м иния, связы ваю щ у ю загрязняю щ ие кол л оидны е частиц ы . Явл е ния коагу л яц ии набл ю даю тся в п рироде п ри см е ш е нии ре чной и м орской воды . П ри этом ионы сол е й м орской воды адсорбиру ю тся на заряже нны х частиц ах гл ины ип е ска, в ре зу л ьтате че гоп роисходитих коагу л яц ия. П роду кт коагу л яц ии гидроф обны х зол е й – осадок - м ожно снова п е ре ве сти во взве ш е нное состояние п у те м обработки е го оп ре де л е нны м эл е ктрол итом . Э то явл е ние назы вае тся п е п тизац ие й и играе т бол ьш у ю рол ь в п очве нны х п роц е ссах. П очве нны е кол л оиды че рнозе м ны х п очв находятся в скоагу л ированном состоянии, п оэтом у они не скл онны к вы м ы ванию . П риобработке п очвы сол ям инатрия п роисходитих п е ре ход в зол и, которы е л е гкоп е ре ходятиз ве рхних сл ое в в нижние , в ре зу л ьтате че гоп очва становится бе сстру кту рной ите ряе тсвоиц е нны е агроном иче ские свойства. Э к сп ер и м ен тал ьн ая ч асть Ц е л ь работы : оп ре де л ить п орог бы строй коагу л яц ии синте тиче ского л атекса сол ям и с разны м зарядом коагу л иру ю щ е го иона; п рове рить вы п ол не ние п равил а cz 6 = const. Д л я оп ре де л е ния П Б К не обходим онайтизависим ость начал ьной скоростикоагу л яц ииотконц е нтрац ииэл е ктрол ита-коагу л янта. О бы чноп рим е няю тм е тод “м ину тной м у тности”, п рикотором за м е ру начал ьной скорости коагу л яц иип риним аю тве л ичину м у тностил ате кса, которая достигае тся за 1 м ин п осл е начал а коагу л яц ии ( отм ом е нта вве де ния эл е ктрол ита-коагу л янта). Ф изиче ские п ре дп осы л ки м е тода таковы . К ол л оидны е частиц ы сп особны рассе ивать п адаю щ ий на них све твсл е дствие изве стного ф изиче ского явл е ния - диф ракц ии. И нтенсивность рассе янногосве та Iр ре зко возрастае тс у ве л иче ние м разм е ра частиц . Д л я сф е риче ских не п роводящ их ток частиц с радиу сом r п оу равне нию Р эл е я Iр =I0 ·k ·

cr 3 , ρλ4

(4)

где I0 - инте нсивность п адаю щ е госве та; с - конц е нтрац ия зол я; λ - дл ина вол ны п адаю щ е госве та; ρ - п л отность частиц ; k - оп тиче ская константа. О тнош е ние Iр / I0 =τ назы ваю тм утн остью . М у тность числ е нноравна инте нсивности (сил е ) све та, рассе ивае м ого е диниц е й объ е м а систе м ы , п риинтенсивностип адаю щ е госве та, равной е диниц е . С огл асноу равне нию Р эл е я, м у тность п роп орц ионал ьна ку бу радиу са частиц . Т аким образом , п роц е сс у кру п не ния частиц (агре гатов) в коагу л иру ю щ е м зол е соп ровождае тся возрастание м м у тности во вре м е ни, чтоп озвол яе тоц е нить скорость коагу л яц ии. М е рой начал ьной скоростикоагу л яц ии(V 0) сл у житве л ичина V 0= (

dτ ) t→0. dt

34 О на п рактиче скичисл е нноравна “м ину тной м у тности” τ 1, т.к. кривы е τ - t в начал е п роц е сса л ине йны . И нтенсивность све торассе яния (м у тность) изм е ряю тс п ом ощ ью н еф ел ом етр ов. И сп ол ьзу е м ы й в работе п рибор м аркиН Ф М п озвол яе т изм е рить интенсивность све та, рассе янногоп од у гл ом 45 0 к нап равл е нию п адаю щ е гол у ча. С п ом ощ ью п рил агае м огок п рибору этал она м ожное го п рокал ибровать ирассчиты вать абсол ю тны е значе ния м у тностииссл е ду е м ой систе м ы . О п исание ип орядок работы на не ф е л ом е тре Н Ф М И нтенсивность све торассе яния в не ф е л ом е тре изм е ряе тся п у те м сравне ния дву х све товы х п отоков, один из которы х рассе ян исп ы ту е м ы м раствором , а дру гой этал онны м рассе ивате л е м (рис.4). С ве товой п оток отл ам п ы 1 разде л яе тся п ол у п розрачной п л астинкой 2 на две части, одна из которы х п оп адае тв кам е ру с дистил л ированной водой, в которой находится кю ве та 3 с зол е м , дру гая п роходитче ре з рассе ивател ь 6 (п л астинка из м ол очного сте кл а). С ве т, рассе янны й частиц ам изол я, исве т, осл абл е нны й рассе ивател е м , п ройдя объ е ктив 4 ил инзу 5, п оп адае тв ф отом е триче ский у зе л , которы й вкл ю чае тв се бя изм е рите л ьны е диаф рагм ы с отсче тны м ибарабанам и7, объ е ктивы 8, п ризм ы 9, ф оку сиру ю щ у ю л инзу 10, све тоф ил ьтр 11 и оку л яр 12. Че рная ш кал а барабана – ш кал а све топ роп у скания. Р ис.4 .С хе м а не ф е л ом е тра О на п оказы вае тдол ю п роходящ е гоче ре з диаф рагм у све та (сте п е нь раскры тия диаф рагм ы ) в п роц е нтах. В п ол е зре ния оку л яра виде н кру г, яркость п равой п ол овины е гооп ре де л яе тся интенсивностью рассе янного све та, л е вой - инте нсивностью п отока, осл абл е нногорассе ивател е м . П орядок изм е ре ний Зап ол няю т дистил л ированной водой све тову ю кам е ру п рибора до м е тки. У станавл иваю тв не е кю ве ту с иссл е ду е м ы м зол е м , исп ол ьзу я ц е н-

35 тратор (кры ш ку кам е ры из оргсте кл а с отве рстие м ). В ращ е ние м соотве тству ю щ их дисков у станавл иваю тзе л е ны й све тоф ил ьтр (№ 2) и рассе ивате л ь. В ы бор рассе ивате л я п роизводится исходя из того, что инте нсивность све та, п роходящ е гоче ре з не гои рассе ивае м огообъ е ктом , дол жны бы ть соп оставим ы . Л ате ксы относятся к сил ьнорассе иваю щ им систем ам , так что исп ол ьзу ю тнаибол е е эф ф е ктивны й рассе ивате л ь № 4 (эф ф е ктивность рассе ивате л я расте тот№ 1 к № 4). Ш ну р л ам п ы осве тител я п одкл ю чаю т к гне здам 0 и 8 на п ане л и трансф орм атора (л ам п а на 8 В ), трансф орм атор вкл ю чаю тв се ть. В Н И М АН И Е : воизбе жание п е ре горания л ам п ы вкл ю чать ивы кл ю чать е е сл е ду е ттол ьков п ол оже ниире остата “те м не е ”. Л е вы й барабан у станавл иваю тна ц иф ру 100 п о ш кал е све топ роп у скания. В ращ ая п равы й барабан, у равниваю тяркость обе их п ол овин п ол я зре ния, де л аю тотсче т. П овторяю тотсче т2-3 раза, бе ру тсре дне е (расхожде ние м е жду п арал л е л ьны м идол жнобы ть не бол е е 1 де л е ния). Е сл и м у тность объ е кта п ре вы ш ае тм у тность рассе ивате л я, топ ол ностью откры ваю т п раву ю диаф рагм у (п равы й барабан ставят на 100) и у равниваю тяркостип ол е й зре ния л е вы м барабаном . Д л я расче та м у тности п рибор кал ибру ю т, у станавл ивая вм е сто зол я этал он - п ризм у с изве стны м значе ние м м у тности. О тсче ты п роизводят п оче рной ш кал е п равогобарабана. М у тность зол я (τ, см -1) рассчиты ваю тп оф орм у л ам nпр 10 4 л ибо τ=τ э , τ=τ э· n л е вn э nэ где n nр и n л е в. - отсче тп оп равом у л ибоп ол е вом у барабану соотве тстве нно; τ э - м у тность этал онной п ризм ы ; n э - отсче тдл я п ризм ы . П рим е чание : кал ибровка п рибора п рове де на заране е , ре зу л ьтаты све де ны в табл иц у зависим ости τ отn, им е ю щ у ю ся в л аборатории. Вы п ол н ен и е р аботы П ре жде все го, сл е ду е тп одобрать разбавл е ние л атекса, не обходим ое дл я не ф е л ом е триче ских изм е ре ний. У равне ние Р эл е я сп раве дл иво дл я разбавл е нны х зол е й, когда каждая частиц а м оже т рассм атриваться как отде л ьны й рассе иваю щ ий ц е нтр и отсу тству е тявл е ние вторичного рассе яния. П оэтом у дл я не ф е л ом е триче ских изм е ре ний тре бу е тся значите л ьное разве де ние л ате кса (обы чнов 10 3 - 10 4 раз). П рие м л е м ы м обы чноявл яе тся такое разве де ние , п ри котором отсче т п ош кал е све топ роп у скания п равогобарабана не ф е л ом е тра составл яе тне бол е е 50.

36 Р е ком е нду е м ое дл я исп ы ту е м огообразц а л ате кса разве де ние исхе м а разбавл е ния у казаны на этике тке .

П рим е р. Р е ком е нду е м ое разве де ние л ате кса 1: 10 4 раз. Р азве де ние п роизводится в две сту п е нип осхе м е : 1 1 0,5 = ⋅ . 10000 100 50

В соотве тствии со схе м ой 1 м л исходного л ате кса (соде ржащ е го обы чно 20-25 м ассовы х % п ол им е ра) вносятп ип е ткой в м е рну ю кол бу е м костью 100 м л , доводятдистил л ированной водой до м е тки и п е ре м е ш иваю т. П ол у чаю т п ром е жу точное разбавл е ние 1: 100. (Э тот образе ц сохраняю тдл я п осл е ду ю щ е гоисп ол ьзования.) Д ал е е 0,5 м л л атекса п ром е жу точного разбавл е ния вносятв м е рну ю кол бу на 50 м л , доводятводой до м е тки. П ол у чаю тконе чное разбавл е ние 1: 10000 - сл або оп ал е сц иру ю щ ий раствор. И зм е ряю т м у тность п ол у че нного раствора (τ 0 ) с п ом ощ ью не ф е л ом е тра, как оп исано вы ш е . Е сл и п оказание п равого барабана бол ьш е че м 50, тоу ве л ичиваю тразбавл е ние на втором этап е ( т.е . бе ру тне 0,5 м л , а м е ньш е - добиваясь вы п ол не ния у сл овия n < 50 ). Д ал е е п роводятоп ре де л е ние “м ину тной м у тности” τ 1 п ривы бранном разбавл е нии, исп ол ьзу я растворы эл е ктрол итов NaCl, CaCl 2 , LaCl 3 ( исходная конц е нтрац ия 4; 0,2 и0,02 м ол ь/л соотве тстве нно). Р е ком е нду ю тся сл е ду ю щ ие интервал ы конц е нтрац ии эл е ктрол итов (м м ол ь/л ): NaCl -200...1200 ; CaCl 2 - 10...50; LaCl 3 - 1...5. В м е рну ю кол бу на 50 м л нал иваю тиз бю ре тки 2 м л раствора NaCl, доводятдистил л ированной водой дом е тки, п е ре м е ш иваю т. Зате м п ип е ткой бы стро вводят0,5 м л (ил и м е ньш е е кол иче ство, у становл е нное п ри п одборе разве де ния) л ате кса с разбавл е ние м 1: 100, эне ргично п е ре м е ш иваю т (одновре м е нно п у скаю т се ку ндом е р), вы л иваю т дисп е рсию в кю ве ту и у станавл иваю те е в све тову ю кам е ру не ф е л ом е тра. В се оп е рац иидол жны бы ть законче ны за 30-35 се ку нд. В ращ ая п равы й барабан (л е вы й п ре дварите л ьно дол же н бы ть у становл е н на 100), п е риодиче ски вы равниваю тм е няю щ ие ся инте нсивности окраски п ол е й зре ния и точноп оистече нии 1 м ин заве рш аю тэту п роц е ду ру . Зап исы ваю тп оказание (n) ш кал ы п равогобарабана. О п орожнив и оп ол осну в кю ве ту и кол бу , п родол жаю т изм е ре ния, вводя в кол бу п осл е довате л ьно4,6,8,10,12 м л раствора эл е ктрол ита. Н ачиная с не которой конц е нтрац ии эл е ктрол ита, у равнивание п ол е й зре ния с п ом ощ ью п равого барабана становится не возм ожны м . (П ри n = 100

37 п равая п ол овина п ол я зре ния остае тся све тл е е л е вой, т.к. сил а рассе янного све та стал а п ре вы ш ать сил у све та, п рош е дш е го че ре з рассе ивате л ь.) Т огда изм е ре ния п роводятна л е вом барабане , у становив п равы й на отм е тку 100.

Р е зу л ьтаты п ом е щ аю тв табл иц у : Э л е ктрол ит Л ате кс О бъ е м раствора эл е ктрол ита, м л

К онц е нтрац ия эл е ктрол ита, м м ол ь/л

(С

исх

=

П оказания барабана П раЛ е вы й вы й

); τ 0 =

.

М у тность τ 1 ·10 3 , см -1

П БК, м м ол ь/л

С троятграф ик зависим ости τ 1(С ). П роводятдоп ол нител ьно 2-3 изм е ре ния вбл изи п ре дп ол агае м ой точки изл ом а (чу ть вы ш е и ниже ), чтобы у точнить е е п ол оже ние ; находятзначе ние П Б К . Анал огичны м образом оп ре де л яю тП Б К п ри коагу л яц ии хл оридам и кал ьц ия ил антана. В п осл е дне м сл у чае рабочий раствор LaCl 3 с исходной конц е нтрац ие й 0,02М готовят не п осре дстве нно п е ре д у п отре бл е ние м (чтобы све сти к м иним у м у вл ияние гидрол иза сол и). Р абочий раствор готовятп у те м соотве тству ю щ е го разбавл е ния раствора LaCl 3 c конц е нтрац ие й 0,5 м ол ь/л в м е рной кол бе е м костью 100 м л . О п ре де л ив ве л ичины П Б К дл я эл е ктрол итов с разл ичны м зарядом коагу л иру ю щ е гоиона, находятих соотнош е ние , п оде л ив на П Б К 11 . С равниваю тданное соотнош е ние с п ол у че нны м те оре тиче ски. В вы водах п о работе у казы ваю твозм ожну ю п ричину откл оне ния отп равил а сz 6 = const.

38

К он тр ол ьн ы е воп р осы и уп р аж н ен и я 1. Н азовите виды у стойчивости дисп е рсны х систем ; в че м они закл ю чаю тся? 2. П о каком у п ризнаку дисп е рсны е систе м ы де л ятна л иоф обны е и л иоф ил ьны е ? К каком у кл ассу дисп е рсны х систе м сл е ду е т отне сти: 1) зол ь AgJ; 2) гидрозол ь кре м не зе м а? 3. Че м обу сл овл е на агре гативная у стойчивость л иоф обны х дисп е рсны х систем ? 4. К акой п роц е сс назы ваю ткоагу л яц ие й? Че м он заве рш ае тся? К аким исп особам ион м оже тбы ть вы зван? 5. П е ре числ ите и охарактеризу йте ф акторы агре гативной у стойчивости л иоф обны х зол е й. К акие ф акторы обе сп е чиваю тагре гативну ю у стойчивость зол ь кре м не зе м а? 6. Чтоназы ваю тбы строй им е дл е нной коагу л яц ие й? 7. О бъ ясните явл е ние м е дл е нной и бы строй коагу л яц ии, нал ичие п ороговы х конц е нтрац ий эл е ктрол ита на основе рассм отре ния п отенц иал ьны х кривы х взаим оде йствия частиц . В че м состояту сл овия насту п л е ния бы строй коагу л яц ии? 8. К акие свойства гру нтов связаны с тиксотроп ие й? С какой ц е л ью п рип рове де ниибу ровы х работисп ол ьзу ю тся гл инисты е растворы ? 9. В че м состоитп равил о Ш у л ьц е - Г арди? Г де оно исп ол ьзу е тся в зе м л е де л ииинабл ю дае тся в п рироде ?

39

Р абота4.С Е ДИ М Е Н ТАЦ И О Н Н Ы Й АН АЛ И З С У С П Е Н ЗИ Й О бл астирасп ростране ния су сп е нзий (этом икроге те роге нны е систе м ы с тве рдой дисп е рсной ф азой ижидкой дисп е рсионной сре дой) чре звы чайнош ироки. П ре жде все го, к ним относятся п очвы игру нты п ри достаточном соде ржаниивл аги, вода п риродны х ииску сстве нны х водое м ов (ре к, озе р, м оре й, оке анов, п ру дов, водохранил ищ ). В сю тве рдообразну ю п ищ у животны е , в том числ е иче л ове к, у сваиваю тв виде су сп е нзий, которы е ониначинаю тготовить у же в м ом е нтп е ре же вы вания. Л ю бая отрасл ь п ром ы ш л е нностиисе л ьскогохозяйства в той ил ииной степ е ниисп ол ьзу е тсу сп е нзии. О дной из важне йш их характеристик все х раздробл е нны х систем явл яе тся степ е нь их дисп е рсности. Д исп е рсность п орош кообразны х м ате риал ов су щ е стве нновл ияе тна их ф изико-хим иче ские свойства, такие как се дим е нтац ионная у стойчивость, ре акц ионная сп особность, стру кту рообразование . В сл е дствие этогодисп е рсность ве щ е ства им е е тне м ал оважное значе ние как дл я п риродны х явл е ний (п л одородие п очвы ), так идл я разл ичны х технол огиче ских п роц е ссов. Н ап рим е р, отразм е ра м ине рал ьны х частиц зависит каче ство ц е м е нтов, крою щ ая сп особность красок, скорость у свое ния л е карств, вл ияние на экол огию . Частиц ы ц е м е нта зап ы л яю твозду х, а значите л ьная часть их осе дае твбл изиц е м е нтны х заводов, образу я свое образны й л андш аф т. П одобны е систем ы обы чно се дим е нтац ионноне у стойчивы , но осе дание частиц п роисходитм е дл е нно. П оэтом у часто п риходится п рим е нять м е ры п рину дител ьного разру ш е ния дисп е рсны х систе м . Р азм е р частиц и ф ракц ионны й состав п орош ков м ожно оп ре де л ять разл ичны м и м е тодам и дисп е рсионного анал иза, нап рим е р, ситовы м анал изом , м икроскоп ие й, эл е ктронной м икроскоп ие й и др. С е дим е нтац ионны й анал из (л ат. sedimentum – осадок) явл яе тся одним из эф ф е ктивны х и часто исп ол ьзу е м ы х в те хнол огиче ской и нау чно-иссл е довате л ьской п рактике м е тодов оц е нки сте п е ни дисп е рсности и ф ракц ионногосостава тонкораздробл е нны х разл ичны х ве щ е ств – л е карстве нны х сре дств, п ищ е вы х п роду ктов, ру д, ц е м е нтов, м ине рал ьны х у добре ний. О н п рим е ним л иш ь дл я кине тиче скине у стойчивы х дисп е рсны х систе м , в которы х сил а тяже сти частиц п ре обл адае т над броу новским движе ние м , п оэтом у он наибол е е эф ф е ктиве н дл я систе м с разм е рам ичастиц в п ре де л ах от0,1 до 100 м км . С е дим е нтац ионны й анал из закл ю чае тся в том , чтоиссл е ду е м ы й п орош ок п е ре водятв су сп е нзию и оп ре де л яю тскорость осе дания частиц п од де йствие м сил ы тяже сти. В данной работе рассм отре н м е тод не п ре -

40 ры вноговзве ш ивания осадка. Э тотм е тод им е е тсу щ е стве нное достоинство– он п роств исп ол не нииине тре бу е тдорогостоящ е гообору дования.

П р инцип седимент а ционного а на лиза О се дание частиц су сп е нзиип роисходитп од де йствие м сил ы тяже сти F, которая с у че том п оп равкина п отерю в ве се п озакону Архим е да составл яе т: F=

4 π r3 (ρ - ρ 0 )g , 3

(1)

где r - радиу с частиц ы ; ρ иρ 0 - п л отность частиц ы исре ды соотве тстве нно; g – у скоре ние сил ы тяже сти. О се данию п ротиводе йству е тсил а тре ния F′. С огл аснозакону С токса, сил а тре ния дл я сф е риче ской частиц ы равна: F′=6π rηu , (2) где η - вязкость сре ды ; u – скорость движе ния частиц ы . В начал е частиц а движе тся у скоре нно, т.к. сил а тяже сти п ре вы ш ае т сил у тре ния, однакоп ом е ре у ве л иче ния скорости движе ния расте ти сил а тре ния, и в не которы й м ом е нтвре м е ниэтисил ы становятся равны м и, в ре зу л ьтате че го частиц а начинае тдвигаться с п остоянной скоростью . И з раве нства сил F и F′м ожноу становить связь м е жду скоростью осе дания частиц ы ие е радиу сом : r=

9ηu . 2( ρ − ρ0 ) g

(3)

О днако расче тразм е ра частиц п о у равне нию (3) возм оже н тол ько в том сл у чае , когда собл ю даю тся у сл овия п рим е не ния к изу чае м ой систе м е закона С токса. Р азм е р частиц дол же н бы ть от0,1 до100 м км , онидол жны бы ть сф е риче ским и, тве рды м и, хорош осм ачиваться жидкостью , конц е нтрац ия дисп е рсии не дол жна п ре вы ш ать 1%, отсу тствие ту рбу л е нтногодвиже ния жидкостип риосе даниичастиц (4, с.45-46). В се су щ е ству ю щ ие дисп е рсны е систе м ы м ожноп одразде л ить на м онодисп е рсны е (им е ю щ ие частиц ы одинакового разм е ра), бидисп е рсны е , тридисп е рсны е ит.д. и, наконе ц , п ол идисп е рсны е . О бы чны е су сп е нзии соде ржат частиц ы , сил ьно отл ичаю щ ие ся дру г отдру га п о ве л ичине . В задачу се дим е нтац ионного анал иза входитне тол ькоу становл е ние разм е ров сам ы х кру п ны х исам ы х м е л ких частиц , но и оп ре де л е ние п ол ногоф ракц ионногосостава дисп е рсны х систе м , п озвол яю щ е е у становить п роц е нтное соде ржание в них отде л ьны х ф ракц ий в заданны х инте рвал ах радиу сов частиц . С едимент а ция монодиспер сных суспензий

41 М онодисп е рсная су сп е нзия состоитиз одинаковы х п о разм е ру частиц . Т .к. скорость осе дания таких частиц одинакова, том онодисп е рсная су сп е нзия бу де тотстаиваться равном е рно («ту че й»). О бразу ю щ аяся п ри этом че ткая границ а разде л а су сп е нзии и осве тл ивш е йся сре ды бу де т см е щ аться на не которое расстояние Н , п роп орц ионал ьновре м е ни осе дания τ. П оэтом у граф ик осе дания м онодисп е рсной систем ы п ре дставл яе т собой п рям у ю л инию (рис.1, а ) с изл ом ом в точке , соотве тству ю щ е й вре м е ни п рохожде ния частиц ам и все й вы соты стол ба су сп е нзии Н оте е п ове рхности до чаш е чки. В этом сл у чае скорость осе дания данной су сп е нзии u м ожновы разить так: u = H/τ, а радиу с частиц r = k √H/τ (4) , где k = √ 9η/2(ρ-ρ 0 )g. И ногда вм е сто константы k исп ол ьзу е тся константа С токса – С ст . Э та константа явл яе тся коэф ф иц ие нтом п роп орц ионал ьности м е жду скоростью осе дания частиц ы и квадратом е е радиу са. В этом сл у чае у равне ние (4) п ре образу е тся в у равне ние u = С ст r 2. О че видно, чтоС ст = 1/k 2. К ривая кине тики се дим е нтац ии ре ал ьной п ол идисп е рсной систе м ы (рис. 1,в) п ре дставл яе т собой п л авну ю криву ю , бл изку ю п о ф орм е к гип е рбол е (в отл ичие от м оно, -би, тридисп е рс-ной систем ы ). Е е п ол у чаю т эксп е рим е нтал ьно. К ривая вы ражае т зависим ость м ассы осе вш их частиц отвре м е ниосе дания. К огда осажде ние е щ е не начал ось (точка О на рис.1,в), частиц ы разны х ф ракц ий расп ре де л е ны в су сп е нзии равном е рно. В п е рвы е м ину ты осе дания в систе м е п рису тству ю т все Рис.1. К ривы е кине тики се дим е нтац ии м оно (а ) и ф ракц ии и кол иче ство п ол идисп е рсной (в) систем . осаждаю щ е гося ве щ е ства за е диниц у вре м е ни dm/dτ = const , т.к. в п е рвое вре м я осе даю тчастиц ы все х разм е ров с разл ичны м и скоростям и, но п оскол ьку накоп л е ние осадка частиц л ю бого разм е ра п роп орц ионал ьно вре м е ни осажде ния, тове сь осадок довре м е ни τ min накап л ивае тся п роп орц ионал ьно вре м е ни. О сажде ние частиц кру п ны х разм е ров заканчивае тся в точке А′, и с этогом ом е нта скорость накоп л е ния осадка у м е ньш ае тся и в дал ьне йш е м п родол жае т не п ре ры вно у м е ньш аться всл е дствие

42 п ол ного осе дания все бол е е и бол е е м е л ких частиц , п рям ая п е ре ходитв криву ю . П о вре м е ни τ min м ожно рассчитать радиу с сам ы х кру п ны х частиц r max , т.к. этичастиц ы осе даю тв п е рву ю оче ре дь соскоростью u = H/τ min . Р адиу с сам ы х м е л ких частиц су сп е нзии r min м оже тбы ть оп ре де л е н п о вре м е ни τ max (точка Е ′), п осл е которогоп ривы бранной точностивзве ш ивания у же не набл ю дае тся п риве с осадка. У становив rmin иr max - п ре де л ьны е значе ния радиу сов частиц су сп е нзии, на кривой се дим е нтац ии вы бираю тряд точе к в м е стах наибол ьш е го изм е не ния кривизны . Н а рис. 9, в это точки B′, C′, D′. Т аким образом , иссл е ду е м у ю су сп е нзию разбиваю тна не скол ько ф ракц ий. Р адиу сы частиц каждой ф ракц иибу ду тл е жать в оп ре де л е нны х у зких интервал ах. Д ал е е п роводяткасате л ьну ю к кривой в одной из вы бранны х точе к. О тре зок О m 1 числ е ннораве н м ассе все х частиц , осе вш их ковре м е ни τ 1 . В е совое соде ржание q каждой ф ракц ии оп ре де л яе тся отре зком на оси ординатм е жду касате л ьны м и к соотве тству ю щ им точкам кривой се дим е нтац ии. Н ап рим е р, ве совое соде ржание q 1 наибол е е м е л кой п е рвой ф ракц ии соотве тству е тотре зку m 4 m 5 , а ве совое соде ржание q 5 частиц наибол е е кру п ной п ятой ф ракц ии- О m 1. Д л я характе ристикип ол идисп е рсны х систе м п рим е няю т интеграл ьны е идиф ф е ре нц иал ьны е ф у нкц иирасп ре де л е ния, которы е м ожноп остроить п ол ьзу ясь кривой се дим е нтац ии. И нтеграл ьная ф у нкц ия расп ре де л е ния Ф (r) п оказы вае т сум м ар н ое сод ер ж ан и е (в м ас.%) в сусп ен зи и ч асти ц д ан н ого r и бол ьш его р ад и уса. О п исы ваю щ ая эту ф у нкц ию инте грал ьная кривая (рис.2) п озвол яе т бы стро находить в данной дисп е рсной систе м е ве совое соде ржание л ю бой ф ракц ии частиц . Е сл и тре бу е тся, нап рим е р, оп ре де л ить ве совое соде ржание в систе м е частиц с радиу сом от rа до r в, то на интеграл ьной кривой находятточкис Р ис.2. И нтеграл ьная ф у нкц ия расп ре де абсц иссам и r а и r в и вы числ яю т л е ния частиц су сп е нзиип оразм е рам разность ординат (А – В ) этих точе к, которая и вы ражае тве совое соде ржание ф ракц ии. Т очка п е ре гиба инте грал ьной кривой, обы чно им е ю щ е й S-образну ю ф орм у , отве чае т наибол е е ве роятном у разм е ру частиц , соде ржащ ихся в данной дисп е рсной систе м е . Б ол е е нагл ядное п ре дставл е ние о ф ракц ионном составе су сп е нзий дае тдиф ф е ре нц иал ьная ф у нкц ия расп ре де л е ния. Д л я п острое ния диф ф е ре нц иал ьной кривой расп ре де л е ния на оси абсц исс откл ады ваю тсре дние значе ния радиу сов частиц , а на оси ординат– отнош е ние ве сового со-

43 де ржания каждой ф ракц ии к интервал у радиу сов q/∆r (рис.3). Э та кривая характе ризу е т п л отность расп ре де л е ния ве роятности п о м ассе частиц разл ичны х радиу сов. Че м у же интервал радиу сов на диф ф е ре нц иал ьной кривой расп ре де л е ния ивы ш е е е м аксим у м , те м бл иже су сп е нзия к м онодисп е рсной (см .рис.3, кривая 1); и наоборот, че м кривая бол е е растяну та и че м ниже е е м аксим у м , тем су сп е нзия бол е е п ол идисп е рсна (см .рис.3, кривая 2). М ассовая дол я в су сп е нзии частиц с радиу сом отr 1 доr 2 , т.е . ве роятность нахожде ния в су сп е нзии частиц с этим и радиу сам и, равна п л ощ ади, ограниче нной кривой, осью абсц исс и дву м я ординатам и, п рове де нны м ив точках r1 иr 2 (см .рис.3 кривая 2). И сп ол ьзу я диф ф е ре нц иал ьну ю криву ю расп ре де л е ния, м ожно не п осре дстве нно оп ре де л ить наибол е е ве роятны й радиу с частиц , соотве тству ю щ ий м аксим у м у этой ф у нкц ии, а также вы числ ить идру гие характеристики п ол идисп е рсности, нап рим е р, сре дне м ассовы й радиу с и у де л ьну ю п ове рхность су сп е нзии. Рис.3. Д иф ф е ре нц иал ьная кривая расп ре де л е ния частиц су сп е нзиип оразм е рам Э к сп ер и м ен тал ьн ая ч асть Ц е л ь работы . 1) П острое ние кривой се дим е нтац ии п ол идисп е рсной су сп е нзии м е тодом не п ре ры вноговзве ш ивания осадка. 2) О п ре де л е ние ф ракц ионногосостава и разм е ра частиц су сп е нзий на основе диф ф е ре нц иал ьной кривой расп ре де л е ния частиц п оразм е рам . Н е обходим ое обору дование : торсионны е ве сы с чаш е чкой, хим иче ский стакан е м костью 1л ., ф арф оровая сту п ка, м е ш ал ка, се ку ндом е р, л ине йка, технохим иче ские ве сы , иссл е ду е м ое ве щ е ство (п орош ки м е л а, су л ьф ата бария, каол ина, ц е м е нта), 5%-й раствор дисп е ргатора Н Ф . П одготовка обору дования иобъ е кта иссл е дования к работе В хим иче ский стакан (7) нал иваю т1 л воды , на торзионны х ве сах (рис.4) (п ре дварите л ьноу становл е нны х п оу ровню строгогоризонтал ьно) взве ш иваю т, п одве ш е нну ю на кором ы сл е ве сов (6) и оп у щ е нну ю в воду чаш е чку (8). Д л я этого п е ре м е щ аю т арре тир (1) вп раво, ру кояткой (4) у станавл иваю тстре л ку ве сов (5) в п ол оже ние , когда у казате л ь равнове сия ве сов (2) совм е стится с ну л е вой риской (3). Зап исы ваю тм ассу чаш е чкиигл у бину е е п огру же ния в воду . И з п орош ка иссл е ду е м огове щ е ства готовят0,2-0,5%-ю су сп е нзию , в не которы х сл у чаях с добавкой дисп е ргатора Н Ф (п о у казанию п ре п одава-

44 те л я). Н аве ску п ом е щ аю тв ф арф орову ю сту п ку , тщ ате л ьно растираю тс не бол ьш им кол иче ством воды , взяты м из стакана, и ту да кол иче стве нно зате м п е ре носятобразе ц дл я иссл е дований. С у сп е нзию хорош оразм е ш иваю тп осту п ате л ьны м и движе ниям и п о ве ртикал и в тече ние не скол ьких м ину тдл я равном е рного расп ре де л е ния су сп е нзии п о все м у объ е м у , п осл е че го п одве ш иваю тчаш е чку на кором ы сл о, вкл ю чаю тсе ку ндом е р и разарре тиру ю тве сы .

К ак м ожно чащ е п роводят и зап исы ваю т отсче ты м ассы чаш е чки с осадком на начал ьной стадии осе дания частиц су сп е нзии (че ре з 5-10 се ку нд). П остеп е нно инте рвал ы м е жду отсче там и у ве л ичиваю т(до 1-5 м ин), т.к. п о м е ре осе дания частиц откл оне ние стре л ки ве сов п роисходитвсе м е дл е нне е . Э ксп е рим е нт заканчиваю т, когда п осл е дние два отсче та ве са осе вш е й су сп е нзии (че ре з 10 м ину т) им е ю т п остоянное значе ние , а раствор над чаш е чкой осве тл ится. Рис.4. Т орсионны е ве сы

Р е зу л ьтаты зап исы ваю тв табл . 1. Q max = 10 3 ⋅ sHc (ρ - ρ 0)/ρ ,м г. (5) В сл у чае , е сл иQ max >Q эксп е р п ре де л ьного, п ривы боре Q водству ю тся у казаниям ип ре п одавател я.

max

ру ко-

К онц е нтрац ия дисп е рсной ф азы су сп е нзии(c), г/ м 3 ______, вы сота сл оя су сп е нзииН , м ___________, s – п л ощ адь чаш е чки, м 2 , ρ - п л отность дисп е рсной ф азы , г/м 3_____, ρ 0 - п л отность дисп е рсионной сре ды , г/ м 3 _____, м асса чаш е чкив воде , м г______, Q max осадка, м г______. Т абл иц а 1. Э ксп е рим е нтал ьны е ирасче тны е данны е дл я п острое ния кривой се дим е нтац ии В ре м я осе - М асса чаш е чки М асса осадка, О тносител ьная дания осадс осадком , м г мг м асса осадка Q,

45 ка, с

%

П ол ьзу ясь кривой се дим е нтац ии, м ожноп остроить интеграл ьну ю и диф ф е ре нц иал ьну ю кривы е расп ре де л е ния дву м я м е тодам и: граф иче ским ианал итиче ским .

О бработка ре зу л ьтатов иссл е дования (граф иче ский сп особ расче та дисп е рсионногосостава су сп е нзии) 1. П о ре зу л ьтатам табл иц ы 1 строяткриву ю се дим е нтац ии в координатах Q(%) - τ (с). П ри не обходим ости осу щ е ствл ять инте рп ол яц ию так, чтобы п ол у чил ась возм ожнобол е е п л авная кривая. 2. О п ре де л яю тм аксим ал ьны й r и м иним ал ьны й r радиу сы частиц су сп е нзии(п окривой се дим е нтац иииу равне нию (3)). 3. Н ам е чаю тчисл оф ракц ий (обы чно5-6) ирассчиты ваю тr min иr max дл я каждой из вы де л е нны х ф ракц ий. 4. В вы бранны х точках п роводят касател ьны е к кривой (с п ом ощ ью п л оскогозе ркал а) иоп ре де л яю тотносите л ьну ю м ассу каждой ф ракц ии. 5. Д л я каждой ф ракц иивы числ яю т∆r иq/∆r. П ол у че нны е ре зу л ьтаты зап исы ваю тв табл иц у 2. Т абл иц а 2 . Д исп е рсионны й состав су сп е нзии________, оп ре де л е нны й граф иче ским м е тодом r min, r max , ∆r,м к rcp ,м к q/∆r, № τ max ,с τ min,с О тн. м асса м км м км м ф ракм %/м к ф р.,% ц ии м

6. С троятдиф ф е ре нц иал ьну ю криву ю расп ре де л е ния, дл я че го на оси абсц исс откл ады ваю тсре дние значе ния радиу сов частиц все х ф ракц ий r ср, а на осиординат– значе ния q/∆r дл я каждой ф ракц ии. 7. П овиду п ол у че нной кривой расп ре де л е ния де л аю твы вод одисп е рсностииссл е ду е м ой су сп е нзии.

46

К он тр ол ьн ы е воп р осы и уп р аж н ен и я 1. П оче м у дл я изу че ния се дим е нтац иису сп е нзий разм е р частиц дол же н л е жать в обл астиот0,1 до100 м км ? 2. К акой радиу с частиц су сп е нзииназы вае тся эквивал е нтны м ? 3. К акие п ричины тре бу ю тобязател ьногоп ол ногосм ачивания частиц су сп е нзиип рип рове де ниисе дим е нтац ионногоанал иза? 5. В обл астикаких значе ний конц е нтрац ий су сп е нзий исп ол ьзу ю т се дим е нтац ионны й анал из ип оче м у ? 6. Н арису йте диф ф е ре нц иал ьну ю криву ю расп ре де л е ния частиц п оразм е рам дл я бидисп е рсной систе м ы ип окажите , как найтим ассовое соде ржание ф ракц иис бол ьш им ип оразм е ру частиц ам и. 7. К аку ю рол ь играе тдисп е рсность дл я п л одородия п очвы ?

47

Авторы : П ояркова Т атьяна Н икол ае вна, В е ре жников В иктор Н икол ае вич

Р е дактор Т ихом ирова О .А.