§ 2. Адсорбция ионов из растворов электролитов на твердой поверхности Правило Фаянса-Панета: адсорбироваться на твердой незаряженной поверхности вещества. - презентация

1 § 2. Адсорбция ионов из растворов электролитов на твердой поверхности Правило Фаянса-Панета: адсорбироваться на твердой незаряженной поверхности вещества могут те ионы, которые: 1)входят в состав этого вещества; 2)изоморфны (подобны по строению) ионам, входящим в состав этого вещества; 3)способны образовывать с ионами вещества труднорастворимые соединения AgCl: 1)Ag +, Cl - (AgNO 3, KCl) 2) Cu +, Br - (CuNO 3, NaBr) 3)Pb 2+, S 2- (Pb(NO 3 ) 2, K 2 S) Адсорбция ионов из растворов может происходить как на незаряженной (электронейтральной), так и на заряженной поверхности твердого тела. В первом случае адсорбция имеет химическую (хемосорбция), во втором – физическую природу (физ. сорбция).

2 На заряженной поверхности (поверхности слоя ПОИ) адсорбируются ионы, противоположные по знаку ПОИ; эти ионы называются противоионами (ПИ), на заряженной поверхности ПИ адсорбируются вместе с гидратной оболочкой, адсорбция этих ионов – физическая, т.е., она протекает обратимо Адсорбционная способность ПИ возрастает с увеличением их заряда и радиуса (имеется в виду радиус иона в чистом виде – без гидратной оболочки) Li + < Ca 2+ < Al 3+ Li + < Na + < K + В последнем случае речь идет о лиотропных рядах Адсорбция ионов из растворов на незаряженной поверхности – это хемосорбция; эти ионы адсорбируются необратимо; то, что адсорбировалось, не может десорбироваться и покинуть поверхность твердого тела. На незаряженной поверхности ионы адсорбируются в чистом виде (без гидратной оболочки); эти ионы после адсорбции формируют, определяют заряд поверхности, и поэтому называются потенциалопределяющими ионами (ПОИ)

3 § 3. Ионообменная адсорбция. Иониты. Очистка сточных вод Ионный обмен – это обратимый процесс эквивалентного (стехиометрического) обмена ионами между раствором электролита и ионитом (ионообменником, ионообменной смолой) каркас подвижный ион (противоион) Ионообменные смолы (иониты) состоят из трехмерной сетки углеродных цепей, на которой закреплены функциональные группы. По фазовому состоянию иониты представляют собой нерастворимые гели-полиэлектролиты с ограниченной способностью к набуханию.

4 Иониты органическиенеорганические Сульфоугли, ионообменные смолы Гели гидроксидов металлов (Fe, Al) Иониты катиониты […] - Kat + (H +, Na +, K +, Mg 2+ ) аниониты […] + An - (Cl -, OH -, SO 4 2- ) амфолиты Иониты природныесинтетические цеолиты («кипящие камни»), гидрослюда, монтмориллонит, гуминовые кислоты (компоненты почв) пермутиты (алюмосиликаты) (применялись для умягчения воды), ионообменные смолы, сульфоугли и т.д.

5 Основные свойства ионитов Емкость (СОЭ, ДОЭ)Емкость характеризует способность ионита обменивать противоионы; она показывает, какое количество г экв ионов способно адсорбироваться на 1 кг сухого (или набухшего) ионита Кислотно-основные свойства Селективность Набухаемость Набухаемость – характерное свойство сухого ионита при его контакте с раствором. Количественной характеристикой набухаемости служит степень набухания, которую определяют как отношение разности объемов набухшего и сухого ионита к массе сухого ионита. Химическая стойкость Механическая прочность

6 Иониты применяют для очистки от примесей, умягчения и обессоливания воды в очистных сооружениях (фильтры для очистки воды), атомной энергетике, электронной и др. отраслях проышленности, для гидрометаллургической переработки бедных руд различных цветных металлов, при получении лекарственных препаратов. Иониты, применяемые в пищевой промышленности тип Функциональ- ные группы Емкость, г экв/кг Области применения Катио ниты -SO 3 H3,0-7,0Производство молока и сахара, очистка воды от положительно заряженных примесей, умягчение воды, производство пищевых кислот и пектина -COOH6,0-10,0Разделение аминокислот, улавливание пищевых кислот, обесцвечивание сахарорафинадных растворов Анио ниты -NH 2,NH2,5-5,0Очистка воды от отрицательно заряженных примесей, понижение кислотности молока

7 Раздел II. Дисперсные системы Тема I. Способы получения дисперсных систем диспергирование конденсация пептизация Все методы получения дисперсных систем можно разделить на 3 группы: диспергирование (сверху вниз: от макрообъектов к ДС), конденсация (снизу вверх: от истинных (молекулярных и т.д.) растворов к ДС) и пептизация (перевод во взвешенное состояние (в ДС) свежих осадков)

8 Дробление, измельчение, истирание (перетирание): измельчение руд, производство цемента, минеральных солей и удобрений, диспергирование топлива в форсунках двигателей внутреннего сгорания (а также, естественно, тщательное пережевывание пищи) и т.д. § 1. Диспергирование До 5 % мировых энергозатрат уходит именно на измельчение материалов Что происходит при диспергировании? Чтобы разрушить твердое тело, его необходимо вначале деформировать (А деф ), а затем, преодолев когезионные силы, образовать новую поверхность раздела фаз (А пов ) Уравнение Ребиндера

9 Если размеры частиц, образующихся при измельчении, довольно велики, то основной вклад в работу измельчения (работу дробления) вносит первое слагаемое, если размеры частиц малы – то второе слагаемое (работа диспергирования) Работа дробления Работа диспергирования Разрушение материалов может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера (эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел), который заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью поверхностно-активных веществ, в результате чего облегчается деформирование и разрушение (диспергирование) твердого тела В качестве понизителей прочности (твердости) используют: жидкие металлы при разрушении твердых металлов; органические вещества для уменьшения прочности органических кристаллов (например, сахара); обычную воду при измельчении неорганических минералов (мокрый помол) Для понизителей прочности характерны малые количества, вызывающие эффект Ребиндера, а также специфичность действия

10 § 2. Физическая и химическая конденсация Физическая конденсация происходит под действием физических факторов (воздействий на систему): конденсация из паровой фазы (образование облаков, тумана и пр.) замена растворителя и др. (изотермическая перегонка) Гомогенная конденсация происходит в объеме истинного раствора, гетерогенная – на границе раздела фаз (раствор/сосуд, раствор/воздух и т.д.) Образование водной эмульсии скипидара р-р скипидара в этаноле р-р стабилизатора (ПАВ) в воде С 2 Н 5 ОН + скипидар вода нас. р-р скипи- дара в С 2 Н 5 ОН С 2 Н 5 ОН + Н 2 О эмульсия

11 Образование белого золя канифоли (золя мастики - применяется при пропитке дерева, бумаги и др. материалов) р-р канифоли в этаноле вода С 2 Н 5 ОН + канифоль вода канифоль С 2 Н 5 ОН + Н 2 О белый золь СН 3 COOH CH 3 COO - + H + {[CH 3 COOH] m nCOO - (n-x)H + } x- xH + компактный агрегат ПОИ АСПИ ДСПИ ядро коллоидной частицы коллоидная частица структурная единица гидрозоля

12 Физическая конденсация происходит в результате химических реакций различных типов: реакции ионного обмена реакции гидролиза окислительно-восстановительные реакции Два условия, которые должны выполняться, чтобы в ходе химической конденсации был получен относительно устойчивый гидрозоль (речь идет о лиофобных ДС): скорость образования частиц должна превышать скорость их роста (обеспечивается небольшой размер частиц) – достигается сливанием разбавленных растворов (варьируя порядок сливания реагентов, можно варьировать знак заряда коллоидных частиц образующегося гидрозоля) либо прибавлением малыми порциями (по каплям) концентрированного раствора к разбавленному; наличие избытка одного из реагентов; именно этот реагент и будет выступать (с учетом правила Фаянса-Панета) в роли электролита-стабилизатора

13 Получение гидрозоля по реакции гидролиза FeCl H 2 O Fe(OH) HCl Fe 3+ + H 2 O FeOH + + H + FeCl 3 + H 2 O FeOHCl 2 + HCl FeOH + + H 2 O Fe(OH) 2+ + H + FeOHCl 2 + H 2 O Fe(OH) 2 Cl + HCl Fe(OH) 2+ + H 2 O Fe(OH) 3 + H + Fe(OH) 2 Cl + H 2 O Fe(OH) 3 + HCl В данном случае заряд коллоидных частиц гидрозоля определяется природой реагирующих веществ {[Fe(OH) 3 ] m n Fe 3+ (3n-x)Cl - } x+ xCl - компактный агрегат ПОИ АСПИ ДСПИ ядро коллоидной частицы коллоидная частица структурная единица гидрозоля

14 AgNO 3 + KCl AgCl + KNO 3 Получение гидрозоля по реакции ионного обмена избыток AgNO 3 {[AgCl] m n Ag + (n-x) NO 3 - } x+ x NO 3 - {[AgCl] m n Cl - (n-x) K + } x- x K + В данном случае заряд коллоидных частиц гидрозоля определяется тем, какой из реагентов взят в избытке избыток KCl

15 Получение гидрозоля по окислительно-восстановительной реакции H 2 S + O 2 S + H 2 O H 2 S HS - + H + {[S] m n HS - (n-x) H + } x- x H + § 3. Пептизация Свободнодисперсные ультрамикрогетерогенные системы (золи) при определенных условиях могут коагулировать. Коагуляция представляет собой процесс укрупнения частиц дисперсной фазы (происходящий в результате их слипания), в конечном итоге приводящий к седиментации частиц ДФ (прямая – оседание, обратная - всплывание). Свежие осадки золей могут переведены обратно во взвешенное состояние путем пептизации Пептизацией называют процесс, обратный коагуляции, т.е., процесс перехода осадка во взвешенное состояние с одновременным дроблением агрегатов на отдельные частицы. Различают адсорбционную, диссолюционную и химическую петизацию.

16 Адсорбционная пептизация (добавление электролита-стабилизатора) [Fe(OH) 3 ] m + FeCl 3 {[Fe(OH) 3 ] m n Fe 3+ (3n-x)Cl - } x+ xCl - Диссолюционная пептизация (промывание осадка водой) {[Fe(OH) 3 ] m n Fe 3+ 3n Cl - } 0 + H 2 O {[Fe(OH) 3 ] m n Fe 3+ (3n-x)Cl - } x+ xCl - Таким образом могут быть переведены во взвешенное состояние осадки, образовавшиеся в результате нейтрализационной коагуляции гидрозоля (частицы осадка не имеют ДЭС) Таким образом могут быть переведены во взвешенное состояние осадки, образовавшиеся в результате концентрационной коагуляции гидрозоля (частицы осадка имеют ДЭС) Химическая пептизация (электролит-стабилизатор образуется в результате химической реакции – растворение поверхностного слоя частиц осадка) [Fe(OH) 3 ] m+n + HCl [Fe(OH) 3 ] m + n FeCl 3 {[Fe(OH) 3 ] m n Fe 3+ (3n-x)Cl - } x+ xCl - Таким образом могут быть переведены во взвешенное состояние осадки, образовавшиеся в результате нейтрализационной коагуляции гидрозоля (частицы осадка не имеют ДЭС)

17 § 4. Образование лиофильных дисперсных систем. Мицеллы, их виды. ККМ

18

19

20 § 5. Фазовая диаграмма растворов коллоидных ПАВ

21

22 § 7. Методы определения ККМ

23 § 8. Солюбилизация, ее виды и механизмы

24

25