Меню

Броуновское движение диффузия осмотическое давление

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем: броуновское движение, диффузия, осмотическое давление.

К молекулярно-кинетическим свойствам свободнодисперсных систем относятся: броуновское движение, диффузия, осмотическое давление, седиментация.
Броуновское движение проявляется хаотическим непрерывным движением частиц дисперсной фазы под действием ударов молекул растворителя (дисперсионной среды), находящихся в состоянии интенсивного молекулярно-теплового движения. Перемещаться частицы могут в различных направлениях. Траектория их движения представляет собой ломаную линию неопределенной конфигурации (рис.31).

К оличественной мерой перемещения частицы при броуновском движении является величина её среднего смещения за некоторый промежуток времени. Смещением или сдвигом частицы называют расстояние между проекциями начальной (1) и конечной (2) точек траектории на ось смещений. А.Эйнштейн и М.Смолуховский установили, что квадрат среднего смещения равен:


где ΔX – среднее смещение частицы, м –1 ; R – газовая постоянная, равная 8,31 Дж×моль/К; Т – температура, К; N – число Авогадро, моль –1 ; τ – время смещения, с; η – вязкость дисперсионной среды, Н×c/м 2 ; r – радиус дисперсной частицы, м.Из этого уравнения следует, что броуновское движение тем интенсивнее, чем меньше размер частиц и вязкость среды и чем выше температура. Броуновское движение не прекращается со временем, т.е. не зависит от длительности существования системы.

Диффузия – это самопроизвольно протекающий процесс выравнивания концентраций ионов, молекул или коллоидных частиц вследствие их беспорядочного теплового (для истинных растворов) или броуновского (для дисперсных систем) движения. Диффузия заканчивается с достижением равномерного распределения частиц по всему объему. Следовательно, диффузия возможна лишь в системах с неодинаковыми концентрациями.Величина, показывающая количество вещества, диффундирующего через поперечное сечение площадью 1 м 2 за 1 секунду при градиенте концентраций равном 1, называется коэффициентом диффузии.По формуле Стокса–Эйнштейна коэффициент диффузии связан с размерами диффундирующих частиц уравнением:

где D – коэффициент диффузии, м 2 /с.
Из этого уравнения следует, что чем больше размер частиц и выше вязкость среды, тем меньше скорость диффузии. Следовательно, при одинаковой температуре скорость диффузии в коллоидных растворах в сотни и тысячи раз меньше, чем в истинных растворах.
Осмотическое давление –одно из коллигативных свойств растворов, т.е. зависит только от количества свободно движущихся частиц. Следовательно, оно характерно, как для коллоидных растворов, так и для истинных, и для расчета величины осмотического давления коллоидных растворов также можно применить уравнение Вант-Гоффа:
Росм. = ,
где Росм. – осмотическое давление золя, Па; n – количество частиц, моль; V– объем золя, м 3 ; R– газовая постоянная; Т– температура, К.
Если учесть, что объем и масса коллоидной частицы значительно больше, чем объем и масса молекулы низкомолекулярных веществ, то при одной и той же массовой концентрации вещества, в единице объема золя содержится значительно меньше частиц, чем в единице объема истинного раствора. Поэтому осмотическое давление коллоидных растворов ничтожно мало по сравнению с таковым в истинных растворах. Например, осмотическое давление золя золота с массовой концентрацией вещества 10 г/л равно 45 Па, а раствора сахарозы той же концентрации и в тех же условиях – 72500 Па.
Второй особенностью осмотического давления коллоидных растворов является его непостоянство. В связи с термодинамической неустойчивостью коллоидных растворов в них непрерывно протекают процессы агрегации и дезагрегации, приводящие к изменению числа осмотически активных частиц в единице объема, а, следовательно, и осмотического давления.

75.Классификация коллоидных систем. Механизм возникновения электрического заряда коллоидной частицы. Строение двойного электрического слоя. Мицелла. Ядро. Гранула.

Коллоидные системы относятся к дисперсным системам – системам, где одно вещество в виде частиц различной величины распределено в другом (см. разд. 4.1). Дисперсные системы чрезвычайно многообразны; практически всякая реальная система является дисперсной. Дисперсные системы классифицируют прежде всего по размеру частиц дисперсной фазы (или степени дисперсности); кроме того, их разделяют на группы, различающиеся по природе и агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Если дисперсионной средой является жидкость, а дисперсной фазой – твердые частицы, система называется взвесью или суспензией; если дисперсная фаза представляет собой капельки жидкости, то систему называют эмульсией. Эмульсии, в свою очередь, подразделяют на два типа:прямые, или «масло в воде» (когда дисперсная фаза – неполярная жидкость, а дисперсионная среда – полярная жидкость) и обратные, или «вода в масле» (когда полярная жидкость диспергирована в неполярной). Среди дисперсных систем выделяют также пены (газ диспергирован в жидкости) и пористые тела (твердая фаза, в которой диспергированы газ либо жидкость). Основные типы дисперсных систем приведены в табл.1.
По степени дисперсности выделяют обычно следующие классы дисперсных систем:
Грубодисперсные системы – системы, размер частиц дисперсной фазы в которых превышает 10 -7 м.
Коллоидные системы – системы, размер частиц дисперсной фазы в которых составляет 10 -7 – 10 -9 м. Коллоидные системы характеризуются гетерогенностью, т.е. наличием поверхностей раздела фаз и очень большим значением удельной поверхности дисперсной фазы. Это обусловливает значительный вклад поверхностной фазы в состояние системы и приводит к появлению у коллоидных систем особых, присущих только им, свойств.

Читайте также:  Как и чем можно понизить давление в домашних условиях быстро

Двойной электрический слой (межфазный) (ДЭС) — слой ионов, образующийся на поверхности частиц в результате адсорбции ионов из раствора, диссоциации поверхностного соединения или ориентирования полярных молекул на границе фаз. Ионы, непосредственно связанные с поверхностью называются потенциалоопределяющими. Заряд этого слоя компенсируется зарядом второго слоя ионов, называемых противоионами.

В отсутствие теплового движения частиц, строение двойного электрического слоя подобно строению плоского конденсатора. Но в отличие от идеального случая, ДЭС в реальных условиях имеет диффузное (размытое) строение. Согласно современной теории структуру ДЭС составляют два слоя:Слой Гельмгольца или адсорбционный слой, примыкающий непосредственно к межфазной поверхности. Этот слой имеет толщину δ, равную радиусу потенциалопределяющих ионов внесольватированном состояниДиффузный слой или слой Гуи, в котором находятся противоионы. Диффузный слой имеет толщину λ, которая зависит от свойств системы и может достигать больших значений. Толщина диффузного слоя рассчитывается по формуле:

Электрической характеристикой ДЭС является потенциал φ. Существует несколько характеристических потенциалов:Потенциал диффузного слоя φδ, соответствующий границе адсорбционного и диффузного слоёв. Внутри диффузного слоя потенциал можно рассчитать по уравнению Гуи-Чепмена:

· Потенциал φx, меньший, чем φδ в e раз и характеризующий толщину диффузного слоя.Электрокинетический потенциал или дзета-потенциал. Этот потенциал соответствует плоскости скольжения и является частью потенциала диффузного слоя. Плоскость скольжения образуется в результате того, что при движении дисперсных частиц наиболее удаленная часть диффузного слоя не участвует в движении, а остается неподвижной. Поэтому появляется нескомпенсированность поверхностного заряда частицы и становятся возможными электрокинетические явления. Дзета-потенциал является одной из важнейших характеристик двойного электрического слоя.

  • Кол. частица состоит из ядра, адсорбирующего из окруж. среды иона другого вида, эти ионы наз-ся зарядообразующими. Ядро кол. частицы притягивает к себе из среды ионы противопол. знака. все сочетание, сост. из кол. частицы и эквивал-ой ей части дисперсной среды, наз-сямицеллой.Т.е, мицелла:-ядро -адсорбирующий слой-слой противоионовКол. частица — это мицелла и диффузионный слой противоионов.
  • Оптич. св-во:Если пропускать пучок света через совершенно прозрачный кол. раствор, то он станов. видимым.
  • Элект. св-во:Частицы дисперсной фазы перемещаются к аноду при возд.пост.эл.тока, а частицы дисперсионной среды — к катоду. Дисп. фаза несет на себе заряд противоп.заряду среды.
  • Ионы адсорбционного слоя сравнительно прочно связаны с агрегатом, а противоионы диффузного слоя находятся под действием двух факторов: электростатического притяжения ионами противоположного заряда, которое удерживает их вблизи ядра, и броуновского движения, стремящегося распределить их в дисперсионной среде.
  • Ядро вместе с противоионами адсорбционного слоя составляет коллоидную частицу, или гранулу. Гранула с противоионами диффузного слоя называетсямицеллой. Следует иметь в виду, что знак заряда гранулы соответствует знаку заряда потенциалопределяющих ионов. Мицелла в отличие от гранулы электронейтральна.
  • Строение мицеллы и заряд гранулы зависят от способа получения коллоидного раствора. Если медленно приливать разбавленный раствор нитрата серебра к раствору хлорида натрия, взятому в избытке, то на поверхности агрегата n(AgCl) будут адсорбироваться хлорид-ионы, имеющиеся в растворе в избытке (образуется слой потенциалопределяющих ионов), а в качестве противоионов адсорбционного и диффузионного слоев будут выступать ионы натрия. Состав мицеллы полученного гидрозоля записывается формулой:
  • x – xNa + .
  • Основу мицеллы составляет нерастворимое в данной среде ядро, микрокристалл или совокупность микрокристаллов.
  • Механизмы образования двойного электрического слоя
  • Существуют следующие механизмы образования двойного электрического слоя:
  • 1) Ионизация поверхности. Металл теряет электроны и заряжается положительно.
  • 2) Избирательная адсорбция ионов. Поверхность адсорбирует ион более близкий по природе.
  • 3) Образование двойного электрического слоя за счёт адсорбции на поверхности полярных молекул. Правило Кёна: положительно заряжается та фаза, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость.

Дата добавления: 2016-01-16 ; просмотров: 2935 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Молекулярно-кинетические свойства коллоидно-дисперсных систем

Молекулярно-кинетические свойства называют свойства, обусловленные хаотическим тепловым движение частиц.

Броуновское движение — это непрерывное беспорядочное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров не затухающее во времени. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость среды. Броуновское движение присуще частицам, размеры которых не превышают 10 -6 м.

Диффузия– самопроизвольное выравнивание концентрации молекул, ионов или коллоидных частиц под влиянием их теплового движения. Это самопроизвольный процесс, т.к. сопровождается изменением энтропии. С повышением температуры скорость диффузии возрастает. А с повышением вязкости – снижается.

Осмотическое давление.Диффузия может стать односторонней, если растворы разделить полупроницаемой перегородкой, пропускающей только молекулы растворителя.Такая односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку называется осмосом. Количественно осмос характеризуется осмотическим давлением, равным силе, приходящейся на единицу площади полупроницаемой перегородки, заставляющей молекулы растворителя проникать через нее.Осмотическое давление возрастает с увеличением концентрации растворенного вещества и температуры Растворы с одинаковым осмотическим давлением называются изотоническими. Если осмотическое давление выше внутриклеточного, то оно называется гипертоническим, если ниже внутриклеточного – гипотоническим.

Седиментационное равновесие. Коллоидные частицы в растворе подвергаются действию сил тяжести. В грубодисперсных системах, где размеры частиц велики и они малоподвижны (практически нет броуновского движения), силы тяжести приобретают большое значение, приводя к оседанию (редко к всплыванию) частиц ДФ. Это явление называется седиментация. Высокодисперсные системы (газы или истинные растворы) обладают высокой кинетической устойчивостью, т.к. их частицы маленькие и довольно легкие и подвержены броуновскому движению. В таких системах преобладают процессы диффузии. Коллоидные системы по степени дисперсности занимают промежуточное положение. Действие силы тяжести для коллоидных частиц невелико и уравновешивается броуновским движением и диффузией. Такое состояние называется седиментационным равновесием.

Для истинных растворов характерно пропускание, они являются оптически прозрачными. Грубодисперсные

– оптически мутные (размеры больше длины волны). Для золей характерно рассеивание света в результате

огибания частиц световой волной. Луч света в таких растворах становится видимым ( явление конуса

Тиндаля). Закон светорассеивания(закон Рэлея):

I=I0k * (Cчаст V2 / λ 4),

Где I – интенсивность рассеянного

I0 – интенсивность падающего света

K – константа Рэлея, зависящая от соотношения показателей преломления среду и фазы

Cчаст – частичная концентрация

V – объем частицы дисперсной фазы

Λ – длина волны падающего света

1) интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна концентрации частиц.

2) интенсивность рассеянного света прямо пропорциональна квадрату объема частицы.

3) в большей степени при прохождении через золи рассеивается коротковолновое излучени

Электрокинетические свойства:

Электрофорез – движение частиц в электрическом поле, т.е. перемещение частиц дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среды под действие внешнего электрического поля.

Электроосмос – движение растворителя в электрическом поле, т.е. перемещение дисперсионной среды относительно неподвижной дисперсной фазы в электрическом поле.

Электроосмос и электрофорез обусловлены наличием двойного электрического поля на поверхности частицы золя. Потенциал протекания— возникновение разности потенциалов при перемещение дисперсной среды относительно неподвижной фазы. Потенциал седиментации – возникновение разности потенциалов при перемещении дисперсной фазы относительно неподвижной дисперсионной среды.

Двойной электрический слой состоит из достаточно прочно связанных с поверхностью дисперсной фазы потенциалопределяющих ионов и эквивалентного количества противоположно заряженных ионов- противоионов, находящихся в дисперсной среде. Потенциалобразующие ионы вместе со связанными противоионами образуют адсорбционный слой. Возникает разность потенциалов.

1 – потенциалопределяющие ионы

2 – адсорбционный слой противоионов

3 – диффузный слой противоионов

АВ- плоскость скольжения

Вопрос 26.
Устойчивость дисперсных систем. Седиментационная, агрегативная и конденсационная устойчивость лиозолей. Факторы, влияющие на устойчивость лиозолей. Коагуляция.

Под устойчивостью дисперсных систем понимают постоянство во времени их свойств, в первую очередь постоянство дисперсности и постоянство равновесного распределения частиц дисперсной фазы в среде.
Седиментационная устойчивость— устойчивость частиц дисперсной системы к оседанию под действием сил тяжести.
агрегативная устойчивость — способность системы противостоять агрегации (укрупнению) частиц дисперсной фазы.
конденсацион. устойчивость характеризует способность ДС сохранять удельную поверхность неизмененной с течением времени

Факторы, определяющие устойчивость систем: броуновское движение, дисперсность частиц дисперсной фазы, вязкость и ионный состав дисперсионной среды и т.д.

Золи являются термодинамически неустойчивыми системами. Частицы дисперсной фазы золей стремятся к уменьшению свободной поверхностной энергии за счет сокращения удельной поверхности коллоидных частиц, что происходит при их объединении. Процесс объединения коллоидных частиц в более крупные агрегаты, и в конечном итоге выпадение их в осадок, называется коагуляцией.
Коагуляцию вызывают различные факторы: механическое воздействие, изменение температуры (кипячение и вымораживание), излучение, посторонние вещества, особенно электролиты, время (старение), концентрация дисперсной фазы.

Билет 27.
Окислительно-восстановительные реакции (редокс).
Окисли́тельно-восстанови́тельные реа́кции(редокс) — это химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, реализующихся путём перераспределения электронов между атомом-окислителем и атомом-восстановителем.
В процессе окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдаёт электроны, то есть окисляется; окислитель присоединяет электроны, то есть восстанавливается.
Окислительно-восстановительные реакции часто сопровождаются высоким энерговыделением, поэтому их используют для получения теплоты или электрич. энергии.
Редокс-системы делят на два типа:
1) в системе осуществляется только перенос электронов Fe 3 + + ē = = Fe 2 +, Sn 2 + — 2ē = Sn 4 +. Это изолированное окислительно-восстановительное равновесие;
2) системы, когда перенос электронов дополняется переносом протонов, т.е. наблюдается совмещенное равновесие разных типов: протолитическое (кислотно-основное) и окислительно-восстановительное с возможной конкуренцией двух частиц протонов и электронов. В биологических системах важные редокс-системы относятся к этому типу.

Механизм возникновения электродного и редокс- потенциалов. Уравнения Нернста.
Скачок потенциала, возникающий на границе раздела металл-раствор его соли, называется электродным или редокс-потенциалом (Фм).

Количественная характеристика, равная разности двух электродных потенциалов получила название электродвижущей силой (ЭДС)

Для электродного потенциала количественная характеристика выражается уравнением Нернста.

гдеz- зарядное число иона, Е -электродный потенциал при активности ионов в растворе = 1 и называется стандартным или нормальным потенциалом.
Эффективность окислительных или восстановительных свойств вещества (сила окислителя или восстановителя) зависит:
— от природы вещества
— от условий протекания ОВР и определяется величиной окислительно-восстановительного потенциаласопряженной редокс-пары.
Гальванический элемент— это система, в которой химическая энергия окислительно-восстановительного процесса превращается в электрическую.

Билет 28.
Прогнозирование направления редокс-процессов.
О направлении окислительно-восстановительной реакции можно судить по изменению изобарно-изотермического потенциала системы (энергии Гиббса), свободной энергии (ΔG) процесса. Реакция принципиально возможна при ΔG o o — величина разности стандартных окислительно-восстановительных потенциалов двух сопряженных пар системы, которую называют электродвижущей силой реакций (ЭДС). Данное уравнение отражает физический смысл взаимосвязи Е o и свободной энергии Гиббса реакции.

Для самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции необходимо, чтобы разность потенциалов сопряженных пар была величиной положительной, что следует из уравнения, т.е. пара, потенциал которой выше, может выполнять роль окислителя. Реакция идет до тех пор, пока потенциалы обеих пар не станут равными. Следовательно, чтобы ответить на вопрос, будет ли данный восстановитель окисляться данным окислителем или, наоборот, нужно знать ΔE o : ΔE o = φ°окисл. — φ°восстан. Реакция протекает в направлении, которое приводит к образованию более слабого окислителя и более слабого восстановителя. Таким образом, сравнивая потенциалы двух сопряженных пар, можно принципиально решить вопрос направления процесса.

Билет 29.
Лигандообменные реакции.Основные понятия теории строения комплексных соединений: центральный атом, лиганды, координационное число.
Лигандообменные реакции.
К таковым относят реакции, в ходе которых происходит перенос электронной пары с образованием ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. Например:

Характерной особенностью лиганднообменных реакций является то, что образование новых соединений, называемых комплексными, происходит без изменения степени окисления.

А.Вернер был первым из химиков, кто понял, что для объяснения строения и свойств этих необычных соединений необходимо отказаться от представлений о постоянстве валентности. Им была создана так называемая координационная теория, в основу которой было положено следующее:
Введены понятия комплексообразователя (центрального атома) и окружающих его лигандов;

·Описано понятие координационного числа, которое определяется пространственными соотношениями между центральным атомом, и координационной емкости лигандов;

·Расшифрована природа связей центрального атома с лигандами внутренней и внешней сферы (неионогенная и ионогенная);

·На основании этого разработан вопрос о реакционной способности атомов и групп, находящихся во внешней сфере;

·Дана рациональная классификация огромного количества комплексных соединений;

·Предложена теория пространственного строения комплексов;

·Позже введены понятия первичной и вторичной валентности и описано различие между ними.

Комплексообразователь — центральный атом комплексной частицы. Обычно комплексообразователь — атом элемента, образующего металл, но это может быть и атом кислорода, азота, серы, йода и других элементов, образующих неметаллы.
Лиганды(Адденты)— атомы или изолированные группы атомов, располагающиеся вокруг комплексообразователя. Лигандами могут быть частицы, до образования комплексного соединения представлявшие собой молекулы (H2O, CO, NH3 и др.), анионы (OH − , Cl − , PO4 3− и др.), а также катион водорода H + .
Координационное число— число связей, образуемых центральным атомом с лигандами.
Дентатность лиганда определяется числом координационных мест, занимаемых лигандом в координационной сфере комплексообразователя.

Источник

Adblock
detector