Дәрістер кешені

                      (1)

Тұрақты жылдамдықпен тұнатын бір бөлшек үшін үйкеліс күші Вu ауырлық күшіне (қозғалтқыш күшке) mg тең tекенін ескерсек, онда меншікті седиментациялық ағын төмендегі теңдеумен өрнектеледі.

                  (2) 

u – седиментация жылдамдығы;

с –концентрация

m – бөлшектің тиімді массасы

B – коллоидты бөлшек  пен диспесті орта аралығындағы  үйкеліс коэффициенті

g – еркін құлау үдеуі

Екі теңдеуді бір-біріне бөлсек, және екендігін ескерсек,

         (3)

υ– бөлшек көлемі;

ρ , ρ – дисперсті фаза мен дисперсті орта тығыздықтары

i_С  / i_Д›› 1 болса, тек седиментация процесін есепке аламыз (өтеді деп есептейміз);

 i_С  / i_Д ‹‹ 1  болса, тек диффузия процесін есепке аламыз;

i_С  / i_Д ≈ 1, яғни i_С  ≈ i_Д болса, екі процесті де есепке алу қажет. Бұл жағдайда дисперсті фаза бөлшектері жүйеде биіктік бойынша белгілі-бір тәртіппен таралады.

(3) –ші теңдеуден мынадай  қорытынды шығаруға болады, алдын-ала араластыру нәтижесінде дисперсті фазасы көлемде біркелкі таралған жүйенің тұрақтылығын қарастыратын болсақ, алғашқы уақытта әрқашан седиментация басым болады, себебі, алғашында dc/dx=0. Алайда уақыт өткен сайын заттың жүйеде біркелкі таралуы бұзылып, dc/dx туындысының мәні арта береді. Массатасымалы i_С  / i_Д ≈ 1, яғни i_С  ≈ i_Д болғанша және жүйеде тепе-теңдік орнағанша жалғасады. Концентрация градиенті биіктік бойынша өзгеретінін ескерсек, х- ті h-қа өзгертіп, (3) –ші теңдеуді былайша жазуға болады.

              (4)

Осы теңдеуді былайша  да жазуға болады.

             (5)

с₀-ден с_h- қа дейін, сәйкесінше 0-ден h-қа дейін интегралдап мына теңдеуді аламыз.

     (6) немесе

             (7)

Егер (6) –шы теңдеудегі с орнына р қойсақ, белгілі барометрлік формуланы аламыз.

                 (8)

Биіктік бойынша газ  молекулаларының таралуы осы гипсометриялық заңға(8) бағынады.

Дисперсті фаза концентрациясы с сандық концентрацияға ν пропорционал болғандықтан, бұл теңдеуді былай  етіп те көрсетуге болады.

        (9)

Бұдан

        (10)

Бұл теңдеу арқылы кез-келген босдисперсті жүйе үшін h мәнін есептеп табуға болады. h дегеніміз сандық концентрация (немесе салмақтық концентрация) ν₀ ден ν_h-қа дейін немесе ν₀ / ν_h есе төмендейтіндей биіктік. Мысалы концентрация қандай биіктікте екі есе азаятынын білгіміз келсе, ν₀ / ν_h=2 деп алып h мәнін есептеуге болады.

Жүйеде бөлшектердің тепе-тең таралуына мынадай факторлар кедергі келтіруі мүмкін: болмашы соққы, шайқау, зольдің әр учаскесінде температураның біркелкі болмауы. Мысалы жоғарыдисперсті золь температурасы 1 сағат ішінде 0,001⁰С-ге ауытқуының өзі, алтынның жоғарыдисперсті золінде мүлдем седиментацияны болдырмай тастайды.

Қалай дегенмен, жүйеде бөлшектер таралуының тепе-тең күйі орнағаннан кейін лиозольдер үшін гипсометриялық заң дәл сақталады.

Мұны гуммигут суспензиясымен тәжірибе жасаған Перрен және алтын  золімен тәжірибе жасаған Вестгрен N_A мәнін анықтай отырып, дәлелдеді.

Өзін-өзі  бақылау үшін тапсырмалар:

1. Седиментация туралы түсінік
2. Меншікті седиментация ағыны
3. Гипсометриялық заң туралы түсінік беру

Әдебиеттер: негізгі: 1-5, қосымша: 6-10

 

Модуль 2. Беттік құбылыстар. Дисперсті жүйелердің тұрақтылығы

 

10 - тақырып. Беттік құбылыстар.

Дәріс мақсаты: Беттік керіліс, беттік энергия туралы түсінік беру.

Жоспар:

1. Беттік құбылыстар
2. Беттік керіліс, беттік энергия
3. БАЗ  және БИЗ ұғымдары
4. Беттік керілісті өлшеу әдістері

Тақырыптың  қысқаша мазмұны:

1см² фазалар бөліну бетіне тиесілі беткі қабаттағы артық энергия беттік керіліс немесе беттік энергия деп аталады.

1см² фазалар бөліну бетін түзу үшін жасалған жұмыс немес оған эквивалентті 1см² фазалар бөліну бетіне тиесілі беткі қабаттағы артық энергия беттік керіліс немесе беттік энергия деп аталады. Ол эрг/см² , СИ бірлігінде беттік энергия өлшемі Дж/м² , беттік керілу өлшемі Н/м деп белгіленеді.

Судың мынадай фазалар  бөліну бетіндегі бетік керіліс  мәндері әр түрлі: су-бензол, су-ауа, су-су буы, су-азот. Сондықтан әр түрлі заттардың беттік керілісін олар бірдей фазамен шекаралас болса ғана салыстыруға болады. Әдетте  беттік керілісті зат-ауа бөліну бетінде анықтайды. Жекелеген сұйықтық үшін бөліну беті түзілу кезінде s  мәні лезде, 0,001 с-та орнығады.

Полярлығы жуық сұйықтықтар  бір-бірімен кез-келген қатынаста араласа алады және олардың арасындағы беттік керілу нольге тең болу керек. Ал бір-бірінде шектеулі еритін сұйықтықтардың бөліну бетіндегі беттік керіліс мәні осы сұйықтықтардың ауамен бөліну бетіндегі беттік керіліс мәндерінің айырымына тең. Бұл ереже Г.Н. Антонов ережесі деп аталады:

 s(бензол-су)= s( су -ауа) -s(бензол-ауа)  Антонов ережесі

Беттік керіліс дегеніміз  фазалар бөліну бетінің 1см² на келетін бос энергияның артық мөлшері десек, онда осы артық мөлшердегі энергияны беттік ауданға көбейте отырып берілген гетерогенді жүйенің бос беттік энергиясын (Гиббстің беттік энергиясын ) табамыз.

G=ss  (2)

Мұндағы: G=бос беттік энергия, эрг;s = беттік керіліс, эрг/см^2; S=фазалар бөліну беті, см² 

Беттік керіліс көп факторларға тәуелді.

1. Зат табиғатына тәуелді.
2. Температураға тәуелді.
3. Бөгде заттардың болуына тәуелді.

Термодинамиканың екінші заңына сай, жүйенің тұрақты тепе-теңдігінің шарты бос энергияның минимумы. Жүйенің беттік энергиясы σ неғұрлым үлкен болса, жүйе соғұрлым тұрақсыз, ал σ неғұрлым кіші болса, жүйе соғұрлым тұрақты болып келеді.

Қатты денелер де өз беттік қабатын азайтуға тырысады, алайда қатты агрегаттық күйдегі зат  бөлшектерінің арасындағы айтарлықтай  үлкен күштер беткі қабаттың өздігінен  азаюына мүмкіндік бермейді.

G=ss →min екі өздігінен жүретін процестер арқылы жүзеге асады:

1. s →min болса, яғни фазалар бөліну бетін азайту есебінен. Бұл жағдайда коагуляция, коалесценция, сияқты бөлшектердің ірілену процестері өздігінен болып тұрады. Коагуляция және коалесценция процестері нәтижесінде фазалар бөліну беті S азаяды, яғни, бос беттік энергия мөлшері де азаяды.
2. s→min, s = const болса, яғни фазалар бөліну беті тұрақты болған жағдайда беттік керілісті азайту. Ол беттік қабатта беттік керілісі төмен заттардың өздігінен жинақталуы-концентрленуі нәтижесінде жүзеге асуы мүмкін. Мұндай процестерге адсорбция, адгезия, шылану жатады. Адсорбция дегеніміз фазалар бөліну бетінде заттардың өздігінен жинақталуына әкелетін сорбциялық процесс. Адсорбция кезінде беттік керілісті азайту есебінен бос беттік энергия кемиді.

Егер жүйенің беттік керілісі s, фазалар бөліну бетінің ауданы  s үлкен болса, онда G да үлкен болады. Сондықтан коагуляция да үлкен жылдамдықпен жүреді, мұндай жүйелерді агрегативті тұрақсыз жүйелер деп атайды. Кейде дисперстігі дәл сондай жүйелерде коагуляция процесі өте баяу, тіпті білінбейді де, мұндай жүйелер агрегативті тұрақты деп аталады.

Бұдан мынадай қорытынды  жасауға болады: тұрақты коллоидты  жүйелер алу үшін коллоидты бөлшектер  бетінде БАЗ-ды адсорбциялау арқылы беттік энергияны азайтуға болады.

Ал беттік қабаттың ішкі (толық) энергиясы Гиббс-Гельгольц теңдеуімен байланысты:

   (3)

Мұндағы U_s- ішкі (толық) энергия, Дж; - беттік керілістің температуралық коэффициенті, Дж/(м²∙К)

БАЗдар дегеніміз молекуласында полярлы да, яғни дипольдік моменті айтарлықтай үлкен топтар (-ОН, -СООН, -NH₂, -SH, -CN, -NO₂, -NCS, -CHO, -SO₃H) және полярлы емес (ароматикалық немесе алифатиклық радикалдар немесе көмірсутектік тізбек) те топтары бар органикалық қосылыстар. Мысалы біратомды спирттер, бірнегізді май қышқылдары. БАЗ молекулалары сулы ерітіндіге түскенде фазалар бөліну бетіне шығуға ұмтылады және бөліну бетіндегі олардың концентрациясы ерітінді көлемі ішіндегіден әлдеқайда жоғары болады. Бөліну бетінде олар топтарының табиғатына сәйкес орналасады: полярлры птотарымен суға бағытталып, полярлы емес топарымен ауаға бағыталады. БАЗ молекулаларын дифильді деп атайды. Бөліну бетінде БАЗдар қалыңдығы бір молекуладай қабат түзеді (сұйықтық бетін осындай пленкамен жабады).

Беттік керілуді өлшеу  әдістері:

• Тамшыларды санау әдісі
• Көпіршіктер түзілуінің ең жоғары қысымы әдісі (Ребиндер әдісі)
• Сұйықтықтың капиллярмен көтерілу әдісі

Өзін-өзі  бақылау үшін тапсырмалар:

1. Беттік құбылыстар және беттік керіліс туралы ұғым
2. БАЗ және БИЗ
3. Антонов ережесі
4. Агрегативті тұрақсыз және тұрақты жүйелер

Әдебиеттер: негізгі: 1-10, қосымша: 11-12

 

11 - тақырып. Адсорбция туралы түсінік. Қатты дене-газ шекарасындағы адсорбция.

Дәріс мақсаты: Адсорбция туралы түсінік беру. Оның негізгі көрсеткіштерін қарастыру. Қатты дене-газ шекарасындағы адсорбция.

Жоспар:

1. Адсорбция түрлері
2. Адсорбцияның сандық өрнектелуі
3. Адсорбцияны сипаттайтын тәуелділіктер
4. Физикалық адсорбция теориялары

Тақырыптың  қысқаша мазмұны: Адсорбция дегеніміз фазалар бөліну бетінде газтәрізді және еріген заттардың жинақталуы (сгущение). Газтәрізді және еріген заттарды адсорбтив, ал оларды адсорбтаған сұйық немес қатты денелерді адсорбент деп атайды. Лиозольдердің коагуляциясы, коллоидты тұнбалардың пептизациясы және бөлшектердің заряд белгісінің өзгеруі адсорбциямен тығыз байланысты.

1. Адсорбцияны физикалық  немс ван-дер-ваальстік, химиялық  немес хемосорбция деп жіктейді: Физикалық адсорбция өздігінен жүреді. физикалық адсорбциядағы адсорбциялық күштердің табиғаты молекулааралық немес вандер ваальстік және олар әрқашан қайтымды.

 

Адсорбцияланган зат  мөлшерін анықтау мына әдістерді  колданады:

• адсорбция жүретін ыдыстағы газ кысымын;
• адсорбцияға дейін және одан кейін адсорбтив концентрациясын;
• адсорбция натижесинде адсорбент массасының артуын тәжірибелік жолмен анықтайды.

2. Сандық жағынан адсорбция  мынадай шамалар көмегімен өрнектеледі:

1. а шамасы (абсолютная величина) – адсорбент массасы бірлігіне тең адсорбциялық қабат көлеміндегі адсорбтив мөлшері;
2. α (альфа) шамасы – адсорбент беті бірлігіне келетін адсорбцияланған зат мөлшері, яғни, адсорбтивтің беттік концентрациясы. Оның өлшем бірлігі моль/м² немесе моль/см².

Сs - rолеми Vs калындыгы h болатын  беттик кабаттагы компонент концентрациясы.

3. Гиббс енгізген Г шамасы – фазааралық шекарада ауданы 1 см² беттік қабаттың көлемінде адсорбтив концентрациясы өзгермейтіндей жағдайдағы адсорбтивтің моль санымен салыстырғанда сол көлемдегі адсорбтивтің моль санының артық мөлшері (немесе 1см² беткі қабатқа шаққандағы мольмен алынған заттың артық мөлшері).

,

Мұндағы: С₀ және С_V – адсорбтивтің бастапқы және тепе-теңдік колемдик концентрациясы, моль; S- адсорбент беті, см². Адсорбент беті белгісіз болған кезде (кеуекті қатты адсорбенттер):

,

Мұндағы m- адсорбент мөлшері (массасы), г.

3. Адсорбцияны мынадай  тәуелділіктермен сипаттауға болады:

1. тұрақты тепе-теңдік қысым р немесе концентрация с кезіндегі адсорбцияланған зат мөлшерінің - а шамасының температураға тәуелділігімен;

p=const,   а=f (T) графигі адсорбция изобарасы,

с=const, а=f (T) графигі адсорбция изопикнасы,

2. адсорбцияланған зат мөлшері - а шамасы тұрақты болған кездегі тепе-теңдік қысымның р (концентрацияның с) температураға тәуелділігімен;

а=const, р=f (T) және с=f (T) графиктері адсорбция изостерасы;

3. тұрақты температура кезіндегі адсорбцияланған зат мөлшерінің - а шамасының тепе-теңдік қысымға р немесе концентрацияға с тәуелділігімен;

Т=const, а=f (р) және а=f (с) графиктері адсорбция изотермасы;

4. Физикалық адсорбцияның  теориялары.

1915 жылы Америка  ғалымы Ленгмюр ұсынған мономолекулалық адсорбция теориясы. Теорияның негізгі қағидалары. Кемшілігі -Ленгмюр адсорбцияланған молекулалар арасындағы өзара әрекеттесу күштерін ескермегендігін айта кету керек. Мономолекулалық теория қағидалары физикалық адсорбцияның кейбір жағдайларын түсіндіре алмайтындықтан, физикалық адсорбция полимолекулалық тұрғыдан қарастыруды талап етеді.