Лекции по «Коллоидной химии»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ УКРАИНЫ

Херсонский государственный технический  университет

Кафедра физической и неорганической химии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

«Коллоидная химия»

для студентов химико-технологических  специальностей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Херсон 2003

Конспект лекций по дисциплине «Коллоидная химия» для студентов химико-технологических специальностей /Мищенко А.В. – Херсон.: ХГТУ. – 2003. - 136с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рецензенты:

заведующий кафедрой химической  технологии и дизайна волокнистых  материалов ХГТУ,

д.т.н., проф. Сарибеков Г.С.

 

заведующий кафедрой технической  химии и пищевых технологий ХГТУ,

д.т.н., проф. Слезко Г.Ф.

           

Утверждено: на заседании кафедры  физической и неорганической химии, протокол №       от              .

 

 

 

 

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой физической и неорганической химии д.т.н., проф. Мищенко А.В.

 

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Предлагаемый конспект лекций соответствует  рабочей программе курса коллоидной химии для студентов химико-технологических специальностей, а именно, обучающихся по направлению «Химическая технология и инженерия» и специализирующихся по следующим специальностям:

- химическая технология и оборудование 

   отделочного производства;

- технология бродильных производств  и виноделия;

- технология хранения и переработки овощей.

В настоящем конспекте лекций большое  внимание уделено отличительным  особенностям дисперсных систем, которые  являются предметом изучения коллоидной химии, получению дисперсных систем, поверхностным явлениям в дисперсных системах, адсорбции, электрическим явлениям на поверхности, адгезии, смачиванию, а также устойчивости дисперсных систем.

В конспект включены также лекции, посвященные растворам высокомолекулярных соединений, широко используемых в технологиях как пищевой так и легкой промышленности и их структурообразованию

Материал в конспекте лекций представлен, главным образом, по свойствам  дисперсных систем, в том числе, такие  важнейшие системы как гели, рассмотрены  в рамках структурообразования, а  сведения о поверхностно-активных веществах приведены при рассмотрении темы, посвященной поверхностному натяжению.

Обусловлена такая последовательность необходимостью компактного изложения материала и крайне ограниченным объемом лекционной нагрузки, предусматриваемым учебным планом.

Дополнением к настоящему конспекту лекций служит методическое пособие к выполнению лабораторных работ по курсу «Коллоидная химия», в котором заданиям предшествует объемный теоретический материал, посвященный, главным образом, отдельным конкретным дисперсным системам и методам оценки их основных свойств. Таковыми являются лабораторные работы, посвященные получению дисперсий полимеров и оценке размеров их частиц, получению эмульсий и пен, оценке электрокинетических потенциалов волокон, построению изотерм адсорбции полимеров твердыми поверхностями, оценке поверхностного натяжения растворов с помощью различных методов и т.д.

Таким образом обеспечивается оптимальное  использование аудиторных часов, отводимых учебным планом на изучение курса «Коллоидная химия», а лекционный материал в значительной  мере дополняется теоретическими разделами лабораторного практикума, изучаемыми студентами в рамках самостоятельной работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция   1. Основные определения коллоидной химии и ее предмета. Основные признаки и классификация дисперсных систем.

 

Основные определения коллоидной химии.

Роль коллоидных систем в материальной культуре человечества.

Значение коллоидной химии в  построении технологий.

Предмет коллоидной химии.

Основные признаки дисперсных систем.

Классификация дисперсных систем (по дисперсности, агрегатному состоянию, межфазному взаимодействию).

 

ЛИТЕРАТУРА:

1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия. – 1975.
2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсные системы): Учебник. – М.: Химия. – 1982.
3. Балезин С.А., Ерофеев Б.В., Подобаев Н.И. Основы физической и коллоидной химии. – М.: Просвещение. – 1975.
4. Липатов Ю.С. Коллоидная химия полимеров. – К.: Наукова думка. – 1984.
5. Щукин Е.Д. и др. Коллоидная химия. – Изд-во московского университета. – 1982.
6. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. – Л.: Химия. – 1984.

 

Название «коллоидная химия» происходит от слова colla (клей) (греч.).

Очевидно потому, что первыми  объектами изучения были растворы ВМС  – желатины, крахмала, которые обладают клеящими свойствами.

Поверхностные явления и дисперсные системы – являются предметами коллоидной химии.

В свою очередь, коллоидная химия является разделом физической химии.

Определение коллоидной химии в  редакции Ребиндера П.А. звучит следующим образом (Краткая химическая энциклопедия): «“Коллоидная химия” – раздел физической химии, в котором рассматриваются процессы образования и разрушения дисперсных систем, а также их характерные свойства, связанные в основном с поверхностными явлениями на границах раздела фаз в этих системах.»

Термин “коллоидная химия” связан с тем, что по традиции коллоидами называют высокодисперсные системы с предельно развитой поверхностью раздела фаз.

При описании этих систем вклад, определяемый поверхностными свойствами и эффектами, преобладает над вкладом объемных свойств.

Предмет коллоидной химии очень  широк. Он может быть представлен  как область, описывающая процессы в системах, в которых главную роль играют поверхностные явления.

Основное условие существования коллоидной частицы – наличие у нее границы раздела с дисперсионной средой.

Вместе с тем, частица должна быть образована из большого числа молекул, для того чтобы к ней можно было применять термодинамическое определение фаз.

 

Значение коллоидной химии

Современная коллоидная химия играет огромную роль во всей материальной культуре человечества, поскольку материальная основа современной цивилизации и самого существования человека связаны с коллоидными системами.

Учение о растворах является одним из основных в современной химии и при изучении химии растворам уделяется большое внимание

Между тем, молекулярные и ионные растворы встречаются в природе и технике реже, чем коллоидные растворы.

Все живые системы являются высокодисперсными, что делает  изучение коллоидной химии необходимым для биолога. Волокна, мышечные и нервные клетки, кровь, клеточные мембраны, протоплазма, гены, вирусы –  все это коллоидные образования.

Коллоидная химия важна для  изучения почвы. Между коллоидно-химическим состоянием почвы и ее плодородием существует связь. Факторы коллоидной химии имеют решающее значение в процессах образования почв, их засоления, орошения, обработки, внесения удобрений.

В геологии и в геофизике процессы коллоидной химии также важны, поскольку с ними связаны все теории строения геологических структур и их генезиса.

Технологии многих промышленных производств  непосредственно связаны с коллоидной химией, а науки об этих производствах практически представляют собой прикладную коллоидную химию.

Так эмульсии, суспензии, студни, пены, порошки широко используются как в пищевой, так и в текстильной  промышленности.

Установление связи между этими  свойствами и технологическими параметрами позволяет технологам правильно использовать исходные материалы, грамотно строить технологический процесс, разрабатывать научно обоснованные методы создания продукции с заданными свойствами.

Коллоидная химия имеет большое  значение для понимания свойств пищевого сырья, для построения рациональной технологии его переработки, для объективной оценки качества получаемой продукции.

Используемое в пищевой промышленности сырье, преимущественно представляет собой коллоидные и высокомолекулярные системы.

Технологический процесс переработки  такого сырья может быть понят и рационально построен в значительной степени на основе коллоидной химии.

Контроль  качества продукции –  важнейшее звено каждого производства. Коллоидная химия позволяет разработать эффективную систему технологического контроля.

Таким образом, знание основ коллоидной химии очень важно для технологов работающих в различных областях промышленности.

Следует отметить большое значение коллоидной химии для защиты окружающей среды и очистки сточных вод.

Методы очистки водных сред от дисперсных частиц основаны на закономерностях  коллоидной химии.

Основные признаки дисперсных систем

 Дисперсными системами называют системы, состоящие из частиц одной фазы, распределенных в другой.

Измельчение вещества  одной фазы в другой называют диспергированием.

Понятие “дисперсный” происходит от латинского “dispersus”- раздробленный.

Это может быть твердое вещество, измельченное в жидком или газообразном.

Фазу, состоящую из частиц раздробленного вещества, называют дисперсной фазой, а среду, в которой распределены частицы – дисперсионной средой.

Любая дисперсная система, независимо от агрегатного состояния вещества, состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Одним из характерных признаков  дисперсной системы является гетерогенность, которая указывает на наличие межфазной поверхности.

Дисперсные системы имеют сильно развитую межфазную поверхность.

Ко второму признаку дисперсных систем относится размер частиц или величина, ему обратная – дисперсность. Чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность.

Таким образом, для всех дисперсных систем характерны два основных признака:

1. Дисперсность, т.е. высокая раздробленность;
2. Гетерогенность  (неоднородность), система состоит

            из 2-х и более фаз.

 

С уменьшением размера частиц при  дроблении вещества увеличивается удельная поверхность, т.е. поверхность, приходящаяся на единицу объема дисперсного вещества.

Данные табл. 1.1 показывают, как изменяется удельная поверхность 1см³ вещества при дроблении его на частицы (кубики) меньшего размера.

Таблица 1.1

Изменение удельной поверхности

при дроблении 1см³ вещества

Длина грани кубика, см	Число кубиков	Удельная поверхность, см2
1	1	6
1·10-1(1мм)	1·103	60
1·10-3	1·109	6·103
1·10-5(0,1мкм)	1·1015	6·105
10·10-7(1нм)	1·1021	6·107

 

Благодаря высокой удельной поверхности  дисперсных систем, в них наиболее сильно проявляются поверхностные явления, протекающие на границе раздела фаз и определяющие их особые свойства.

Особенно важной характеристикой коллоидной системы служит удельная поверхность дисперсной частицы: отношение поверхности частицы к ее объему.

Другими словами, основной признак  коллоидной системы состоит в размерном факторе.

Однако Липатов С.М. подчеркивал, что степень дисперсности есть только один из главных признаков коллоидного состояния и многие свойства этих систем являются функцией их степени дисперсности.

Липатовым С.М. дана строгая критика  подхода к  коллоидным системам только на основе их дисперсности без учета совокупности признаков, характерных для коллоидного состояния.

К одному из таких признаков относятся  поверхностные явления, играющие определяющую роль в свойствах дисперсных систем.

В соответствии с Воюцким, к коллоидным системам относят такие, у которых поперечный размер частицы (для сферических – диаметр, а для частиц, имеющих форму куба – ребро куба) находятся в пределах 1-100 нм (10^-7-10^-5 см).