Лекция по "Химии"

    Лекция  № 1 

    План  лекции: 

    1. Основные понятия.

    2. Поверхностные явления.

    3. Дисперсная система.

    4. Признаки объектов коллоидной химии.

    5. Классификация дисперсных систем. 

    Коллоидная  химия - наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах. Поверхностные явления (ПЯ) - процессы, происходящие на границе раздела фаз в межфазном поверхностном слое (ПС), возникающие в результате взаимодействия сопряженных фаз.

    Каждое  тело ограничено поверхностью, на которой  могут развиваться поверхностные явления, поэтому объектами КХ могут быть тела любого размера. Однако, лучше всего ПЯ проявляются в телах с высокоразвитой поверхностью, в которых большая доля вещества находится в коллоидном состоянии: пленки, нити, капилляры, мелкие частицы.

    Совокупность  этих дисперсий вместе со средой, в которой они распределены - дисперсная система (ДС). То есть, дисперсная система – такая система, в которой вещество находится в состоянии раздробленности (дисперсности) и равномерно распределено в окружающей среде.

    ДС  является большинство окружающих нас реальных тел, поэтому есть основание называть коллоидную химию - физикой и химией реальных тел. Все тела, как правило, - это поликристаллические, волокнистые, слоистые, пористые, сыпучие вещества, состоящие из наполнителя и связующего и находящиеся в состоянии суспензий, паст, эмульсий, пыли. Почва, тела растительного и животного мира, облака и туманы, продукты промышленного производства (строительные материалы, металлы, полимеры, бумага, кожа, ткани) - все это дисперсные системы.

    ПРИЗНАКИ  ОБЪЕКТОВ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

    Гетерогенность - многофазность, указывает на наличие межфазной границы, т.е. поверхностного слоя.

    Дисперсность (раздробленность) - определяется размерами и геометрией, тела.

    Дисперсность  D – величина, обратная размеру частицы а.

    D= 1/a

         Широко применяется  и такая характеристика раздробленности, как удельная поверхность Sуд

    S уд = S/V - удельная поверхность.

    S - площадь межфазной поверхности, V - объем тела

    Все три характеристики раздробленности  связаны между собой: с уменьшением размера а увеличивается дисперсия D и удельная поверхность S уд.

    Дисперсность - важнейший признак объектов коллоидной химии. Она придает новые свойства всей дисперсной системе. С ростом D повышается роль поверхностных явлений в системе, т.к. повышается доля поверхностных молекул и, соответственно, доля вещества в коллоидном состоянии, т.е. более сильно проявляется специфика гетерогенных дисперсных систем. Гетерогенность универсальный признак. Объектом коллоидной химии в принципе может быть любая многофазная система, но одна только дисперсность 6ез гетерогенности не может определить принадлежность конкретного объекта к коллоидной химии Например, истинный раствор - это дисперсия молекулярно растворенного вещества в растворителе, но он не обладает свойством многофазности., внутренней гетерогенности. Поверхность - макроскопическое свойство, поэтому ею не могут обладать отдельные молекулы или ионы. Однако, истинный раствор определенного объема имеет внешнюю поверхность (на границе с воздухом или твердым телом). И, если рассматривать свойства межфазного поверхностного слоя, то система в совокупности - объект коллоидной химии.

    Дисперсность - количественный параметр.

    Гетерогенность - качественная характеристика.

    Объекты коллоидной химии качественно отличаются от объектов других наук гетерогенностью. Дисперсность определяет количество этой поверхности,

    Объекты коллоидной химии можно охарактеризовать определенным видом энергии.

    

     - поверхностное натяжение, S - площадь  поверхности раздела. 

    КЛАССИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

    Поверхностные явления удобно классифицировать в  соответствии с объединенным уравнением первого и второго начал термодинамики, записанного для гетерогенной системы.

    dG=-SdT+Vdp+

dS+åm_i dnⁱ + jdq     (1.1)

    dG – изменение энергии Гиббса, SdT – теплота, VdP – механическая энергия, sdS – поверхностная энергия, åm_idn_i –химическая энергия, jdq – электрическая энергия.

    G - энергия Гиббса, S - энтропия, Т - температура, V - объем, р - давление, - поверхностное натяжение, S - площадь поверхности, m- химическиq потенциал i - го компонента, n- число молей i - го компонента, j- электрический потенциал,  q - количество вещества.

    Возможны  пять процессов превращения поверхностной  энергии:

    а) в энергию Гиббса, б) в теплоту, в) в химическую энергию, г) в механическую энергию, д) в электрическую .

    Дисперсные  системы гетерогенны, поэтому состоят как минимум из двух фаз. Одна из них является сплошной и называется дисперсионной средой. Другая фаза раздроблена в первой и называется дисперсной фазой.

 

     КЛАССИФИКАЦИЯ ПО АГРЕГАТНОМУ СОСТОЯНИЮ

Дисперсионная среда	Дисперсионная фаза	Условное обозначение	Название  системы и примеры
Твердая	Твердая	Т/Т	тв. Гетерогенные системы: сплавы, бетон
Твердая	Жидкая	Ж/Т	Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, почвы, грунты
Твердая	Газообразная	Г/Т	Пористые тела: адсорбенты и катализаторы в газах
Жидкая	Твердая	Т/Ж	Суспензии и  золи: извести, пасты, илы
Жидкая	Жидкая	Ж/Ж	Эмульсии: нефть, кремы, молоко
Жидкая	Газообразная	Г/Ж	Газовые эмульсии и пены: флотационные, противопожарные, мыльные пены
Газообразная	Твердая    Жидкая    Газообразная	Т/Г    Ж/Г    Г/Г	Аэрозоли: дымы, порошки  Аэрозоли: туманы, облака  Не образуется

    КЛАССИФИКАЦИЯ ПО КИНЕТИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ

    1. Свободнодисперсные – дисперсная фаза подвижна.

    2. Связнодисперсные – частицы дисперсной фазы связаны между собой. 

    КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СТЕПЕНИ ДИСПЕРСНОСТИ.

    Свободнодисперсные:

    1) ультрамикрогетерогенные 10 ^-7см. а 10 ^-5см. (от 1 до 100 мкм) – истинно-коллоидные – (т/т);

    2) микрогетерогенные  10 ^-5см. а 10 ^-3см. (от 0,1 до 10 мкм) т/ж, ж/ж, г/ж, т/г.

    3) грубодисперсные а > 10 ^-3см; т/г.  

    Связнодисперсные  системы:

    1) микропористые: поры до 2 мм;

    2) переходнопористые: от 2 до 200 мм;

    3) макропористые: выше 200 мм.

    Общенаучный характер коллоидной химии определяется большой распространенностью объектов и явлений, изучаемых этой наукой.

    Она охватывает все области знаний, которым приходится иметь дело с материалами и веществами, служит основанием для более углубленного представления о сущности многих явлений, для развития и совершенствования науки и различных производственных процессов. Практически все вещества и материалы - объекты коллоидной химии. Поэтому есть все основания говорить об универсальности гетерогенно - дисперсного состояния. Такое состояние можно рассматривать как ступень в строении материалов, следующих за атомами и молекулами, которые группируются в агрегаты, образуя дисперсные системы, которые, в свою очередь, создают структуру тела.

    Представления коллоидной химии используются в  астрономии, метеорологии, почвоведении, биологии, агрономии, металловедении и др. областях. Коллоидно-химические методы применяются в пищевой, кожевенной текстильной, фармацевтической, нефтедобывающей, металлургической коксохимической промышленностях, в производстве искусственного волокна. пластмасс, взрывчатых веществ, строительных материалов, мыловарении.

    Коллоидные  явления широко распространены в  химической технологии измельчение сырья, флотация, сгущение, фильтрация, конденсация брикетирование и т.д. - все эти процессы протекают в дисперсных системах и в них большую роль играют такие явления как смачивание, капиллярности адсорбция, коагуляция.