Учебные материалы по коллоидной химии

Доцент Н.И.Иванова

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ПО
КУРСУ "КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ"
(для студентов III курса  геологического  ф-та)

Утверждена учебно-методической комиссией кафедры коллоидной
химии Химического факльтета 26.03.07

МОСКВА 2007г.

                 Данный курс разpаботан для студентов III курса геологического факультета МГУ специальностей "геохимия" и "геоэкология". Курс ставит своей целью сформировать у студентов основные представления о коллоидном (дисперсном) состоянии как универсальном состоянии вещества в окружающем нас мире. По словам В.И. Вернадского коллоидное состояние это "характерное состояние верхней термодинамической геосферы". Дисперсные минералы, образуясь при непрерывно происходящих процессах выветривания, содержатся в морской, речной и озерных водах, донных отложениях морей, рек и озер. Перемещение частиц дисперсной фазы в пространстве является одной из форм миграции, приводящей как к рассеянию, так и концентрированию элементов в земной коре. Серьезную проблему, связанную с загрязнением окружающей среды, представляют также дисперсные системы, образующиеся в результате антропогенного воздействия: аэрозоли, жидкие отходы, содержащие токсичные элементы.
          Основная особенность дисперсных систем связана с существованием большого избытка энергии, сосредоточенного на поверхности раздела между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Именно этот избыток определяет направление и интенсивность физико-химических процессов, протекающих в дисперсных системах. Важную роль, особенно в присутствии жидкой фазы, играет явление адсорбции, позволяющее при определенных условиях изменить природу поверхности раздела двух контактирующих фаз и, тем самым, целенаправленно влиять на характер их взаимодействия и скорость различных процессов, возникающих в природных и технологических дисперсных системах.
        Значительное внимание в курсе уделяется также свойствам коллоидных частиц, как одной из форм миграции элементов в земной коре и загрязняющих веществ в окружающей среде (аэро- и гидросферах).

Объем курса: 16 часов - лекции; 8 часов - практические занятия; предусмотрены 6 лекционных контрольных работ

ВВЕДЕНИЕ

            Определение коллоидной химии - науки, изучающей свойства веществ, находящихся в дисперсном состоянии; ее основные объекты, задачи и направления. Роль поверхностных явлений в  дисперсных системах. Классификация дисперсных систем: по размерам частиц (дисперсности), агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по структуре и  интенсивности молекулярных взаимодействий на границе раздела дисперсная фаза/дисперсионная среда. Дисперсное состояние вещества как общее состояние материи. Изменение физико-химических свойств веществ при переходе макрофазы в дисперсное состояние.

ОСОБЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ФАЗ.

            Причины возникновения избытка свободной энергии на поверхности раздела жидкость/газ. Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) как характеристика силового поля, возникающего вблизи поверхности раздела двух фаз. Связь поверхностного натяжения с энергией межмолекулярного взаимодействия в конденсированной фазе; энергия когезии. Энергия поверхности раздела двух конденсированных фаз. жидкость/жидкость; твердое тело/жидкость; твердое тело/твердое тело; энергия границ зерен в минералах и горных породах. Энергия адгезии как характеристика разности полярностей граничащих фаз.
          Смачивание твердых тел жидкостями. Краевой угол. Уравнение Юнга. Термодинамическое условие смачивания, несмачивания и растекания. Случай растворимости твердого тела в смачивающей жидкости. Проникновение жидкости по границам зерен поликристаллических тел, условие Гиббса-Смита.
          Избирательное смачивание. Гидрофильные и гидрофобные поверхности, количественная характеристика гидрофильности и гидрофобности.
          Капиллярные явления. Закон Лапласа и его следствия. Течение жидкой фазы по капиллярам как одна из форм массопереноса в природных условиях.
          Зависимость давления насыщенного пара и растворимости от кривизны поверхности раздела контактирующих фаз. Закон Томсона-Кельвина. Конденсация влаги на вогнутых менисках в порах. Роль процессов изотермической перегонки в образовании вторичных рудных месторождений. Повышенная растворимость веществ, находящихся в дисперсном состоянии, как фактор, усугубляющий загрязнение окружающей среды.
Методы измерения поверхностного натяжения на разных границах раздела фаз.

ОБРАЗОВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

            Диспергационные способы образования лиофобных дисперсных систем.
Роль поверхностно-активных сред в процессах интенсификации диспергирования.
Конденсационные (физические и химические) способы образования лиофобных дисперсных систем. Основные представления о гомогенном и гетерогенном образовании зародышей новой фазы при различных фазовых переходах.
Образование дисперсных систем в естественных условиях и в результате антропогенных воздействий: образование аэрозолей при извержении вулканов и выбросах в атмосферу с различных предприятий, образование золей и суспензий при выветривании горных пород. Стоки промышленных предприятий как примеры дисперсных систем, загрязняющих окружающую среду.
         Образование лиофильных дисперсных систем. Критерий самопроизвольного диспергирования (критерий Ребиндера-Щукина). Мыла, как вещества, способные образовывать лиофильные дисперсные системы. Дисперсии бентонитовых глин как промежуточные между лиофильными и лиофобными системами.

АДСОРБЦИЯ НА РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ РАЗДЕЛА ФАЗ.

            Влияние природы растворенного компонента на величину удельной свободной поверхностной энергии на границе раздела водный раствор/воздух. Поверхностно-инактивные вещества и поверхностно-активные вещества (ПАВ), их химическая природа. Поверхностная активность. Правило Дюкло-Траубе. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации водных растворов ПАВ. Уравнение Шишковского.
         Адсорбция, ее определение. Адсорбция ПАВ на поверхности раздела водный раствор ПАВ/воздух как причина уменьшения поверхностного натяжения водных растворов ПАВ. Уравнение Гиббса. Двухмерное состояние вещества в поверхностном слое. Зависимость строения адсорбционного слоя от концентрации ПАВ в растворе.
         Мицеллообразование в растворах ПАВ. Солюбилизация в растворах мицеллообразующих ПАВ. ПАВ - как основной компонент синтетических моющих средств (СМС). Биоразлагаемость ПАВ.
         Адсорбция ПАВ из растворов на твердой поверхности. Уравнение Ленгмюра. Правило уравнивания полярностей по Ребиндеру. Влияние адсорбционых слоев ПАВ на смачивание; гидрофилизация и гидрофобизация поверхностей. Коллоидно-химическая сущность флотации. Поверхностно-активные вещества как источник загрязнения почв и природных вод. Роль адсорбции в очистке стоков промышленных предприятий.
         Изменение поверхностного натяжения на границе раздела твердое тело-жидкая фаза. Относительность понятия "поверхностно-активное вещество". Эффект адсорбционного понижения прочности - эффект Ребиндера. Возможные формы проявления этого эффекта в естественных условиях: уменьшение прочности, пластифицирование, диспергирование горных пород под влиянием флюидов.
         Адсорбция ионов неорганических электролитов на поверхности раздела твердое тело-раствор как одна из причин образования двойного электрического слоя (ДЭС). Основные представления о строении двойного электрического слоя (теории Гельмгольца, Гуи-Чепмена, Штерна). Изменение потенциала в двойном электрическом слое для сильно и слабо заряженных поверхностей. Закономерности ионного обмена между ДЭС и объемом раствора. Лиотропные ряды. Ионный обмен в природных дисперсных системах. Обменная емкость различных пород.

СВОЙСТВА ЗОЛЕЙ И СУСПЕНЗИЙ И ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ.

            Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциалы протекания и оседания. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского для  описания электрофореза (электроосмоса). Граница скольжения, электрокинетический потенциал. Строение мицелл гидрофобных золей. Коллоидная частица. Влияние индифферентных и неиндифферентных электролитов на величину и знак заряда коллоидных частиц. Изоэлектрическое состояние.
          Методы измерения электрокинетического потенциала. Практическое значение электрокинетических явлений и использование их для разведки полезных ископаемых, осушения грунтов и т.д.
          Процессы миграции в дисперсных системах. Коллоидная частица - как одна из основных форм геохимической миграции - неразрывного комплекса процессов, приводящих к перераспределению химических элементов в природных телах. Техногенная миграция.
          Устойчивость (седиментационная и агрегативная ) лиофобных дисперсных систем. Седиментация суспензий. Седиментационно-диффузионное равновесие в дисперсных системах.
         Изменение свободной энергии системы при нарушении агрегативной устойчивости дисперсных систем. Коагуляция гидрофобных золей электролитами. Правило Шульце-Гарди. Зоны устойчивости и коагуляции. Связь устойчивости и коагуляции с величиной ?-потециала (критерий Эйлерса-Корфа). Пептизация. Пептизация в природных дисперсных системах.
         Коагуляция коллоидных растворов в естественных условиях. Концентрирование химических элементов на физико-химических барьерах. Техногенные геохимические аномалии.
         Понятие об аэрозолях. Агрегативная и седиментационная устойчивость аэрозолей.
Общие представления о современной теории (ДЛФО) устойчивости дисперсных систем. Расклинивающее давление и его составляющие: молекулярная, электростатическая и структурная. Особенности свойств тонких смачивающих пленок воды. Структурно-механический барьер по Ребиндеру. Защитные коллоиды.

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ.

  Коагуляционные и конденсационно-кристаллизационные структуры. Условия их образования. Природа контактов между элементами структуры. Механические свойства коагуляционных и кристаллизационных структур. Тиксотропные системы.
Полная реологическая кривая тиксотропной коагуляционной структуры. Роль тиксотропии в природных и технологических процессах.

КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

            Методы разрушения дисперсных систем (коагуляция, коалесценция, флокуляция, механические методы). Разрушение аэрозолей. Очистка сточных вод от поверхностно-активных веществ, от токсичных веществ; использование процессов адсорбции, ионнного обмена, коагуляции для этой цели.
         Коллоидно-химические способы повышения эффективности извлечения ценных компонентов из пород (флотация). Охрана водных систем. Предотвращение выветривания отвалов, содержащих токсичные химические элементы.

ЛИТЕРАТУРА.

Обязательная:
1. Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии, «Академия», 2006г.
2. Малахова А.Я. Физическая и коллоидная химия, "Высшая школа",1981г.
3. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии, «Химия», 1995г.
4. Амелина Е.А. Методическое пособие по курсу коллоидной химии. МГУ,  Москва. 2007г.
Дополнительная:
1. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. «Высшая школа», Москва, 2006г.
2. Перельман А.И. Геохимия, "Высшая школа",1989г.
3. Чухров Ф.В. Коллоиды в земной коре, Изд.АН СССР 1955г.

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ.

Студенты по указанию преподавателя выполняют 3-4 работы из перечисленных ниже.

1. Изучение зависимости поверхностного натяжения от концентрации ПАВ в    водном растворе.
2. Изучение адсорбции ПАВ из водных растворов на поверхности адсорбента   и  определение удельной поверхности адсорбента.
3. Влияние адсорбционных слоев на смачивание твердых поверхностей.
4. Определение знака заряда частиц золя и электрокинетического потенциала    методом электрофореза.
5. Седиментационный анализ суспензий.
6. Изучение агрегативной устойчивости суспензий.
7. Исследование коагуляции лиофобных золей электролитами.
8. Исследование зон коагуляции и стабилизации лиофобных золей   электролитами.
9. Исследование влияния электролитов на процесс нестационарной  фильтрации    глинистых суспензий.

ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ.

1. Определение и основные задачи коллоидной химии, ее роль в геохимии и геоэкологии.
2. Принципы класcификации дисперсных систем.
3. Методы получения дисперсных систем.
4. Седиментация в дисперсных системах.Интегральная и дифференциальная кривые распределения частиц по размерам.
5. Граница раздела фаз, ее силовое поле. Удельная свободная    поверхностная   энергия (поверхностное натяжение).
6. Поверхностное натяжение и энергия взаимодействия молекул (атомов, ионов) в объеме конденсированной фазы. Энергия когезии.
7. Поверхность раздела между конденсированными фазами; межфазное натяжение; работа адгезии.         
8. Смачивание твердых тел жидкостями. Уравнение Юнга. Термодинамическое условие смачивания и растекания.   
9. Избирательное смачивание. Гидрофильные и гидрофобные поверхности.
10.Проникновение жидкости по границам зерен поликристаллических материалов. Условие Гиббса-Смита.
12.Капиллярные явления. Закон Лапласа. Роль капиллярных явлений в природе.
13.Закон Томсона (Кельвина). Процессы капиллярной конденсации, изотермической перегонки, собирательной рекристаллизации, протекающие в естественных условиях.
14.Адсорбция из растворов. Уравнение Гиббса.
15.Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества. Изотермы поверхностного натяжения. Поверхностная активность.
16.Изотермы поверхностного натяжения. Уравнение Шишковского.Правило Дюкло-Траубе.
17.Строение адсорбционных слоев ПАВ на границе раздела раствор ПАВ-воздух.
18.Лиофильные дисперсные системы.Мицеллообразование в растворах  ПАВ. Строение мицелл лиофильного золя.
19.Относительность понятия поверхностно-активное вещество. Эффект Ребиндера. Возможные проявления этого эффекта в различных геологических процессах.
20.Адсорбция на границе раздела твердое тело/газ. Уравнение Ленгмюра.
21.Адсорбция поверхностно-активных веществ из водных растворов на твердой поверхности. Правило уравнивания полярностей Ребиндера.
22.Адсорбционные методы определения удельной поверхности адсорбента.   
23.Управление смачиванием твердых тел.Физико-химические основы флотации.
24.Причины образования двойного электрического слоя на границе раздела твердое тело/раствор электролита. Строение двойного электрического слоя.
25.Изменение потенциала в двойном электрическом слое в зависимости от заряда твердой поверхности.
26.Электрокинетические явления. Уравнение Гельмгольца-Смолуховского для скорости электрофореза.
27.Электрокинетический потенциал и методы его определения.
28.Влияние электролитов на строение двойного электрического слоя и электрокинетический потенциал.
29.Строение мицеллы лиофобного золя. Перезарядка коллоидных частиц.
30.Обменная адсорбция. Лиотропые ряды. Роль ионного обмена в природных дисперсных системах.
31.Образование лиофобных дисперсных систем.
32.Агрегативная и седиментационная устойчивость дисперсных систем. Самопроизврольные процессы, приводящие к разрушению дисперсных систем.
33.Расклинивающее давление в тонких пленках.Факторы устойчивости дисперсных систем.
34.Структурно-механический барьер (по Ребиндеру) как сильный фактор стабилизации дисперсных систем.
35.Коагуляция золей электролитами; порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди.Критерий Эйлерса-Корфа.
37.Причины коагуляции золей в гидротермальных коллоидных растворах.
38.Термодинамическое условие пептизации.Пептизация под действием электролитов.
39.Зоны коагуляции.
40.Структурообразование в дисперсных системах.Природа контактов.
41.Условия образования коагуляционных структур;их механические свойства.
42.Полная реологическая кривая  для структур с коагуляционным типом контакта.
43.Тиксотропия; ее роль в природных и технологических процессах.
44.Кристаллизационные структуры. Условия образования и механические свойства и кристаллизационных структур.
45.Коллоидно-химические основы охраны окружающей среды.

ВОПРОСЫ К ТЕОРЕТИЧЕСКОМУ ЗАЧЕТУ ПО КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ.

1.Определение и основные задачи коллоидной химии, ее роль в геохимии и геоэкологии
2.Принципы класификации дисперсных систем.
3.Методы получения дисперсных систем.
4.Седиментация в дисперсных системах.Интегральная и дифференциальная кривые распределения частиц по размерам.
5.Лиофильные дисперсные системы, условия образования, критерий Ребиндера-Щукина.
6.Граница раздела фаз, ее силовое поле. Удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение).
7.Поверхностное натяжение и энергия взаимодействия молекул (атомов,ионов)в объеме конденсированной фазы. Энергия когезии.
8.Поверхность раздела между конденсированными фазами; межфазное натяжние. Работа адгезии.
9.Смачивание. Уравнение Юнга.Термодинамическое условие смачивания и растекания.
10 Избирательное смачивание. Гидрофильные и гидрофобные поверхности.
11 Проникновение жидкости по границам зерен поликристалличечских материалов. Условие Гиббса-Смита.
12 Капиллярные явления. Закон Лапласа. Роль капиллярных явлений в   природе.
13.Капиллярное поднятие.
14.Закон Томсона (Кельвина). Процессы капиллярной конденсации, изотермической перегонки,собирательной рекристаллизации,  протекающие в естественных условиях.
15.Адсорбция из растворов. Уравнение Гиббса.
16.Поверхностно-активные и поверхностно-инактивные вещества. Изотермы поверхностного натяжения. Поверхностная активность.
17.Изотермы поверхностного натяжения. Уравнение Шишковского. Правило Дюкло-Траубе.
18.Строение адсорбционных слоев ПАВ на границе раздела водный раствор ПАВ-воздух.
19.Лиофильные дисперсные системы.Мицеллообразование в растворах ПАВ. Строение мицелл лиофильного золя.
20.Относительность понятия "поверхностно-активное вещество". Эффект Ребиндера. Возможные проявления этого эффекта в различных геологических процессах.
21.Адсорбция на границе раздела твердое тело/газ.Уравнение Ленгмюра.
22.Адсорбция поверхностно-активных веществ из водных растворов на твердой поверхности. Правило уравнивания полярностей Ребиндера.
23.Адсорбционные методы определения удельной поверхности адсорбента.
24.Управление смачиванием твердых тел.Физико-химические основы флотации.
25.Причины образования двойного электрического слоя на границе раздела  твердое тело/раствор электролита. Строение двойного электрического слоя.
26.Изменение потенциала в двойном электрическом слое в зависимости от расстояния от твердой поверхности и ее заряда.
27.Электрокинетические явления. Уравнение Гельмгольца –Смолуховского для скорости электрофореза.
28.Влияние электролитов на строение двойного электрического слоя и электрокинетический потенциал.
29.Строение мицеллы лиофобного золя. Перезарядка коллоидных частиц.
30.Обменная адсорбция, лиотропные ряды. Роль ионного обмена при образовании вторичных рудных местрождений.
31.Агрегативная и седиментационная устойчивость дисперсных систем.Самопроизврольные процессы, приводящие к разрушению дисперсных систем.
32.Факторы устойчивости дисперсных систем.
33.Структурно-механический барьер (по Ребиндеру) как сильный фактор  стабилизации дисперсных систем.
34.Коагуляция золей электролитами; порог коагуляции. Правило Шульце-Гарди. Критерий Эйлерса-Корфа.
35.Зоны коагуляции.
36.Причины коагуляции золей в гидротермальных коллоидных растворах.
37.Термодинамическое условие пептизации.Пептизация золей под действием   электролитов.
38.Структурообразование в дисперсных системах.Природа контактов.
39.Условия образования коагуляционных структур;их механические свойства.
40.Полная реологическая кривая для структур с коагуляционным типом   контакта.
41.Тиксотропия; ее роль в природных и технологических процессах.
42.Кристаллизационные структуры. Механические свойства и условия образования кристаллизационных структур.
43.Коллоидно-химические основы охраны окружающей среды.