Ф Е Д Е Р АЛ Ь Н О Е АГ Е Н Т С Т В О П О
О Б Р АЗО В АН И Ю
В О Р О Н Е Ж С К И Й Г О С У Д АРС Т В Е Н Н Ы Й У Н И В...
15 downloads
222 Views
503KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Ф Е Д Е Р АЛ Ь Н О Е АГ Е Н Т С Т В О П О
О Б Р АЗО В АН И Ю
В О Р О Н Е Ж С К И Й Г О С У Д АРС Т В Е Н Н Ы Й У Н И В Е Р С И Т Е Т
П ояркова Т .Н ., В е ре жников В .Н .
К О Л Л О И Д Н АЯ Х И М И Я Часть 11 У че бное п особие cп е ц иал ьность 020101 (011000) -Х им ия
В О РО Н Е Ж 2005
2
У тве ржде нонау чно-м е тодиче ским сове том хим иче скогоф аку л ьтета 15 ф е врал я 2005 года, п ротокол № 6 Авторы : П ояркова Т .Н ., В е ре жников В .Н .
У че бное п особие п одготовл е нона каф е дре В М С К хим иче скогоф аку л ьте та В ороне жскогогосу дарстве нногоу ниве рсите та. Р е ком е нду е тся дл я сту де нтов 3 ку рса дне вногоотде л е ния биол огоп очве нногоф аку л ьте та.
3
Д анны й вы п у ск у че бного п особия соде ржит оп исание л абораторны х работ, составл яю щ их основное соде ржание п рактику м а п о общ е м у ку рсу кол л оидной хим ии на 3 ку рсе дне вного отде л е ния биол огоп очве нногоф аку л ьте та. В п особии данооп исание м е тодики вы п ол не ния работп о изу че нию основны х свойств дисп е рсны х систе м и п ове рхностны х явл е ний с у че том оп ы та нау чной и м е тодиче ской работы каф е дры , а также воп росы и у п ражне ния, вы п ол няе м ы е сту де нтом п ри оф орм л е нии работы . К аждой работе п ре дп осл ано краткое теоре тиче ское вве де ние , даю щ е е м иним ал ьны й объ е м инф орм ац ии, не обходим ой дл я п оним ания изу чае м ого воп роса. П одробная п роработка соотве тству ю щ их разде л ов ку рса п ре ду см отре на п рограм м ой те оре тиче ских кол л оквиу м ов и се м инаров.
4 П р огр ам м а л абор атор н ого п р ак ти к ум а Р абота №
1. М ол е ку л ярная адсорбц ия на п ове рхности разде л а растворвозду х. О п ре де л е ние у де л ьной п ове рхности п ористого адсорбе нта (6 час). Р абота № 2. О п ре де л е ние эл е ктрокине тиче ского п отенц иал а зол я м е тодом м акроэл е ктроф оре за (4 час). Р абота № 3. И ссл е дование агре гативной у стойчивости зол е й. О п ре де л е ние п орога бы строй коагу л яц ии м е тодом «м ину тной» м у тности. П рове рка п равил а Ш у л ьц е -Г арди (4 час). Р абота № 4. Cе дим е нтац ионны й анал из су сп е нзий (6 час).
Л и тер атур а 1. 2. 3. 4.
О сновная Зим он А.Д . К ол л оидная хим ия / А.Д .Зим он, Н .Ф .Л е щ е нко. - М .: Агар, 2003. - 320с. М у ш кам баров Н .Н . Ф изиче ская и кол л оидная хим ия / Н .Н .М у ш кам баров. - М .: Г Э О Т АР -М Е Д , 2001.-384с. Е встратова К .И . Ф изиче ская и кол л оидная хим ия / К .И .Е встратова, Н .А.К у п ина, Е .Е .М ал ахова. - М .: В ы сш . ш к.,1990. - 486с. Г е л ьф м ан М .И . К ол л оидная хим ия / М .И . Г е л ьф м ан, О .В .К овал е вич, В .П .Ю стратов.- С П б.: Л ань, 2003. - 336c..
Д оп ол ните л ьная 1. Зим он А.Д . Заним ате л ьная кол л оидная хим ия: свое образны й м ир частиц / А.Д .Зим он.-М .: Р адэкон, 2000. - 191с. 2. М е тодиче ские у казания к п рактику м у п окол л оидной хим ии(вы п у ск 2) дл я сту де нтов 11 ку рса дне вного отде л е ния биол ого-п очве нного ф аку л ьтета/ С ост. Т .Н .П ояркова, В .А.К у зне ц ов, В .Н .В е ре жников.- В ороне ж,1999.(№ 491) 3. У че бно-м е тодиче ское п особие .К ол л оидная хим ия. Часть 1. дл я сту де нтов 3 ку рса дне вного отде л е ния биол ого-п очве нного ф аку л ьтета./ С ост. Т .Н .П ояркова, В .Н .В е ре жников.- В ороне ж,2004.(№ 585) 4. Щ у кин Е .Д . К ол л оидная хим ия / Е .Д .Щ у кин, А.В .П е рц ов, Е .А.Ам е л ина.-М .: В ы сш ая ш к. , 2004.- 348 с.. 5. В ою ц кий С .С . К ол л оидная хим ия / С .С .В ою ц кий. - М .:Х им ия, 1975. 512с.
5 Р абота1. М О Л Е К У Л Я Р Н АЯ АДС О Р БЦ И Я И З Р АС ТВО Р О В О П Р Е ДЕ Л Е Н И Е У ДЕ Л ЬН О Й П О ВЕ Р ХН О С ТИ АК ТИ ВИ Р О ВАН Н О ГО У ГЛ Я В кол л оидны х (у л ьтрам икроге те роге нны х) систем ах, им е ю щ их огром ну ю п ове рхность разде л а м е жду ф азам и и обл адаю щ их бол ьш им зап асом свободной п ове рхностной эне ргии, бол ьш у ю рол ь играю т п роц е ссы , п роисходящ ие на п ове рхности. С вободная п ове рхностная эне ргия - та часть свободной эне ргиисисте м ы , которая обу сл овл е на нал ичие м м е жф азной п ове рхности. И сточником п ове рхностной эне ргии явл яю тся сил ы м е жм ол е ку л ярного взаим оде йствия, не ском п е нсированны е в п ове рхностном сл ое (всл е дствие разл ичной эне ргии ван-де р-ваал ьсова взаим оде йствия м ол е ку л п ове рхностногосл оя с м ол е ку л ам исм е жной ф азы им е жду собой). П ри обратим ом изм е не нии п л ощ ади п ове рхности (S) в изобарноизоте рм иче ских у сл овиях изм е не ние эне ргии Г иббса (G) систе м ы оп ре де л яе тся вы раже ние м : dG = σ · dS , (1) где σ - у де л ьная ве л ичина свободной п ове рхностной эне ргии(свободная эне ргия Г иббса е диниц ы п л ощ адип ове рхности), изм е ряе тся в Д ж/м 2 . М ожно п оказать, что у де л ьная свободная п ове рхностная эне ргия числ е нно равна си л е п овер хн остн ого н атя ж ен и я , де йству ю щ е й на е диниц у дл ины конту ра, ограничиваю щ е го п ове рхность, и стре м ящ е йся сократить п ове рхность разде л а ф аз. В е л ичина п ове рхностногонатяже ния σ (изм е ряе тся в Н /м ) л е гкооп ре де л яе тся эксп е рим е нтал ьно. У м е ньш е ние свободной п ове рхностной эне ргии систе м ы п роисходит сам оп роизвол ьно и м оже тре ал изовы ваться дву м я сп особам и: 1) за сче т у м е ньш е ния п л ощ ади м е жф азной п ове рхности (нап рим е р, в п роц е ссе коагу л яц ии дисп е рсны х систе м ); 2) п у тем изм е не ния состава п ове рхностногосл оя - ад сор бци и . П ол ожите л ьная адсорбц ия - это накоп л е ние , конц е нтрирование растворе нного ил и адсорбированного ком п оне нта систе м ы на п ове рхности разде л а ф аз. В е л ичину адсорбц ииГ (гам м а) ил иА , обы чноизм е ряю ткол иче ством адсорбированного ве щ е ства, п риходящ им ся на е диниц у п ове рхности (м ол ь/м 2 ) ил и на е диниц у м ассы (в сл у чае тве рдогоадсорбе нта, м ол ь/кг, м ол ь/г). К ол л оиды п очв, им е я огром ну ю п ове рхность, обл адаю т свойством адсорбировать из окру жаю щ е й сре ды значител ьны е кол иче ства газов, п аров жидкосте й и разл ичны х ионов, нап рим е р, кал ия, натрия, кал ьц ия, м агния, ам м ония и дру гих до п ол ного насы щ е ния п ове рхности кол л оидны х частиц . С л е ду е тотм е тить, что адсорбированны е катионы м огу тизм е нять п л одородие п очвы не тол ько п у те м изм е не ния е е ф изиче ских
6 свойств (водоп рониц ае м ость, вл агое м кость, набу хае м ость), ноони м огу т оказы вать ине п осре дстве нное вл ияние на ростиразвитие расте ний. П итание расте ний у гл е кисл ы м газом из возду ха связанос п ре дварите л ьной адсорбц ие й газа на л истьях. П огл ощ е ние корням и п итате л ьны х эл е м е нтов из п очвы начинае тся с их адсорбц ии на п ове рхности корне вы х вол осков итонких не оп робкове вш их корне й. Д ы хание животны х и че л ове ка п ротекае тв ре зу л ьтате п ре дварите л ьной адсорбц иикисл орода на п ове рхностил е гких. О рганизм че л ове ка соде ржитм ноже ствобол ьш их п ове рхностей разде л а – стенки сосу дов и кл е ток (нап рим е р, общ ая п ове рхность эритроц итов крови че л ове ка достигае т≅ 3200 м 2 ). П оэтом у п ове рхностны е явл е ния и адсорбц ия играю тважну ю рол ь в п роц е ссах е гожизне де яте л ьности. Б ол ьш ое значе ние им е е тадсорбц ия на п ове рхности кл е точны х м е м бран, с п ом ощ ью которы х кл е тка взаим оде йству е тс вне кл е точной сре дой и осу щ е ствл яе т контакты с дру гим и кл е ткам и. М е м браны ре гу л иру ю т трансп ортразл ичны х ве щ е ств в кл е тку , п ри этом п е рвичны м актом явл яе тся адсорбц ия п е ре носим огове щ е ства на м е м бране . Д исп е рсны е систе м ы , характе ризу ю щ ие ся бол ьш ой п ове рхностью разде л а ф аз, обл адаю тзначител ьной адсорбц ионной сп особностью . У п ористы х адсорбе нтов ре зкоу ве л ичивае тся п л ощ адь разде л а ф аз не тол ько в ре зу л ьтате дисп е рсности, но и доп ол ните л ьно за сче тп л ощ ади сам их п ор. У гл е родисты е сорбе нты (тип ичны е гидроф обны е адсорбе нты ) ш ирокоисп ол ьзу ю тся дл я п огл ощ е ния отравл яю щ их ве щ е ств. Д л я п овы ш е ния адсорбц ионной сп особности у гл я е го обрабаты ваю тп аром ил и ине ртны м и газам и. Е сл и у де л ьная п ове рхность такогоне п ористогоп роду кта, как сахарная п у дра, не п ре вы ш ае т0,5 м 2 /г, тоу частиц п ористогоактивированного у гл я она бол ьш е на три п орядка ∼ 500 м 2 /г. В одной табл е тке (вы п у скае м ой в м е диц инских ц е л ях м ассой 0,25 г) ре ал изу е тся 125 м 2 п ове рхностиразде л а. П риочистке кровиоттоксиче ских ве щ е ств (л ю м инал , ве ронал , тазе п ам и др.) п рим е няе тся м одиф иц ированны й ал ьбу м ином , ац е татом ц е л л ю л озы активированны й у гол ь. Р ассм отрим вначал е сл у чай адсорбц ии м ол е ку л растворе нногове щ е ства (нап рим е р, одногоиз сп иртов жирногоряда) на п ове рхностиразде л а раствор/возду х. М ол е ку л ы сп иртов (RО Н ) в п ове рхностном сл ое раствора сам оп роизвол ьно орие нтиру ю тся таким образом , что не п ол ярны й у гл е водородны й радикал (R) вы ходитиз воды в сосе дню ю не п ол ярну ю ф азу (в данном сл у чае возду х), а п ол ярная гидроф ил ьная гру п п а (-О Н ), интенсивно взаим оде йству ю щ ая с водой, остае тся в водной ф азе (рис.1,а). Т акая орие нтац ия обе сп е чивае т сниже ние свободной п ове рхностной эне ргии раствора, п ове рхностногонатяже ния σ. С у ве л иче ние м общ е й конц е нтрац ии раствора ве л ичина адсорбц ии растет, м ол е ку л ы П АВ в адсорбц ионном сл ое сбл ижаю тся и в п ре де л е (п ри С →∞) образу ю тп л отноу п акованны й (насы щ е нны й) м оносл ой (частокол “Л е нгм ю ра”) (рис.1,б).
7 В е л ичина σ п ри этом снижае тся до м иним ал ьного значе ния, а адсорбц ия достигае т п ре де л ьной ве л ичины . В е щ е ства, снижаю щ ие п оР ис.1. С тру ктура адсорбц ионны х сл оёв ве рхностное натяже ние раствора и образу ю щ ие адсорбц ионны е сл ои с п овы ш е нной конц е нтрац ие й, назы ваю тся п овер хн остн о-ак ти вн ы м и . П ом им осп иртов к ним относятся дру гие п ол ярны е органиче ские сое дине ния: карбоновы е и су л ьф окисл оты и их сол и, сол и ал кил овы х эф иров се рной кисл оты (ал кил су л ьф аты ), ам ины иих сол иит.д. П ове рхностно-активны е свойства таких ве щ е ств обу сл овл е ны нал ичие м в их м ол е ку л ах дву х разл ичны х п о п рироде (п ол ярности) часте й, которы е сообщ аю тим сродствок разл ичны м п оп ол ярностиф азам . Э не ргия ван-де р-ваал ьсова взаим оде йствия у гл е водородногорадикал а с п ол ярны м и м ол е ку л ам и воды м е ньш е , че м эне ргия взаим оде йствия м ол е ку л воды м е жду собой. П оэтом у на границ е разде л а водны й раствор/возду х (ил и у гл е водород) радикал ы R сам оп роизвол ьно п е ре ходят (вы тал киваю тся) в сосе дню ю не п ол ярну ю ф азу , что эне рге тиче ски вы годно и обнару живае тся эксп е рим е нтал ьно как у м е ньш е ние п ове рхностногонатяже ния (п ове рхностной эне ргии) σ. П ол ярны е гру п п ы , нап ротив, активновзаим оде йству ю тс дип ол ям иводы (гидратац ия) исообщ аю тм ол е ку л ам П АВ г и д р оф и л ьн ы е свойства (м ол е ку л ярное сродствок воде ), тогда как у гл е водородны е радикал ы явл яю тся носител ям и ги д р оф обн ы х свойств (гидроф обность означае твм е сте с те м ол еоф и л ьн ость - сродство к не п ол ярны м ф азам - у гл е водородам , м асл ам ). П оскол ьку нал ичие м ол е ку л П АВ в п ове рхностном сл ое эне рге тиче ски вы годно (∂σ/∂С <0), то п роисходит сам оп роизвол ьное конц е нтрирование растворе нного ве щ е ства на м е жф азной границ е . Н е органиче ские сол и, кисл оты , основания п овы ш аю тп ове рхностное натяже ние водны х растворов и п отом у их адсорбц ия отр и цател ьн а (конц е нтрац ия ве щ е ства в п ове рхностном сл ое м е ньш е , че м в объ е м е ). Э топ овер хн остн о-и н ак ти вн ы е ве щ е ства. В заим освязь м е жду адсорбц ие й и п ониже ние м п ове рхностногонатяже ния дае ту равне ние адсорбц ииГ иббса: Г =−
С dσ . RT dC
(2)
8 У равне ние Г иббса п озвол яе т рассчитать изоте рм у адсорбц ии - зависим ость Г (С ) п о изоте рм е п ове рхностногонатяже ния σ(С ) (рис.2). Д л я этого п ри разны х С находят числ е нное значе ние п роизводной (dσ /dС ) обы чнограф иче ским п у те м , т.е . п о накл ону касател ьны х к кривой σ (С ) в разл ичны х точках. Р ис.2. И зотерм ы адсорбц ии И зоте рм а м оном ол е ку л ярной адсорбц ии и п ове рхностного натяже оп исы вае тся у равне ние м Л е нгм ю ра : ния П АВ А = А∞
КС , 1 + КС
(3)
где С - равнове сная конц е нтрац ия П АВ в объ е м е раствора; К - константа адсорбц ионного взаим оде йствия; А ∞ - п р ед ел ьн ая ад сор бци я (ил и е м кость м оносл оя) - ве л ичина адсорбц ии, отве чаю щ ая образованию на м е жф азной п ове рхностинасы щ е нногом оносл оя (см . рис.1,б). Г иббсовская адсорбц ия Г рассчиты вае тся как и збы ток растворе нногове щ е ства в адсорбц ионном сл ое п осравне нию с объ е м ом , п оЛ е нгм ю ру адсорбц ия А - п ол ное е гокол иче ствов адсорбц ионном сл ое (в обоих сл у чаях - на е диниц е п ове рхности). П риу сл овии С → 0 А ≅ Г . И зоте рм у адсорбц ии Л е нгм ю ра также м ожно рассчитать п о зависим ости σ (С ). Д л я этогоне обходим о найти значе ния константА и К. И х м ожноп ол у чить, исп ол ьзу я у равне ние Ш иш ковского, оп исы ваю щ е е изоте рм у п ове рхностногонатяже ния σ (С ): σ = σ0 – a ln (1+bС ) , (4) где σ0 -п ове рхностное натяже ние растворите л я; a и b - константы . Э то эм п ириче ское у равне ние . О бъ е диняя у равне ния Г иббса и Л е нгм ю ра, е го м ожноп ол у чить в сл е ду ю щ е м виде : σ = σ0 - RTA ∞ ln (1+KС ). (5) И з у равне ний (5) и(6) сл е ду е т, что a = RТ А ∞ , b = К . (6) Зависим ость σ (С ), согл асно у равне ниям (4) и (5), не л ине йная. Д л я расче та константА ∞ и К у равне ние изоте рм ы п ове рхностногонатяже ния п риводят к л ине йном у виду . В обл асти не оче нь м ал ы х конц е нтрац ий КС >>1, тогда, п ре не бре гая е диниц е й п од знаком л огариф м а, п ол у чим у равне ние (4) в виде : ∆σ = σ0 - σ = аlnb + a lnС , (7) т.е . ∆σ л ине йно зависитотlnС . И з граф ика зависим ости ∆σ(lnС ) находятконстанты a иb, а п осоотнош е ниям (6) -А ∞ иК. Зная ве л ичину А ∞ , м ожно рассчитать п арам е тры адсорбц ионного сл оя - п л ощ адь, п риходящ у ю ся на 1 м ол е ку л у в насы щ е нном адсорбц ионном сл ое S m (“м ол е ку л ярная п л ощ адка”) и тол щ ину адсорбц ионного сл оя h, равну ю дл ине м ол е ку л ы (см . рис.1,б), из сл е ду ю щ их соображе ний:
9 1) Н а 1 м п ове рхности адсорбировано А ∞ ·N м ол е ку л (N - числ о Авогадро), отсю да сл е ду е т, что: S m = 1/ (A ∞ N). (8) 2) М асса ве щ е ства m, адсорбированногона 1 м 2 п ове рхности, равна: m = А ∞ ·М , где М - м ол ярная м асса П АВ . С дру гой стороны , ве л ичину m м ожно вы разить как м ассу ве щ е ства, находящ е гося в объ е м е адсорбц ионного сл оя с п л ощ адью 1 см 2 итол щ иной h: m = ρ· h (ρ - п л отность ве щ е ства, г/м 3 ). Т аким образом , A ∞ ⋅ М = ρ ⋅h , отку да h = A ∞ ⋅ M/ρ (9) П ри адсорбц ии на тве рды х п ористы х адсорбе нтах, нап рим е р, активированном у гл е , также образу е тся насы щ е нны й м оном ол е ку л ярны й сл ой на п ове рхноститве рдой ф азы п ридостиже ниип ре де л ьной адсорбц ииГ ′ ∞ Зная п ре де л ьну ю адсорбц ию Г ′ ∞ и м ол е ку л ярну ю п л ощ адку П АВ S m м ожнорассчитать у де л ьну ю п ове рхность адсорбе нта S у д . У де л ьная п ове рхность – су м м арная п л ощ адь п ове рхностивсе х п ор е диниц ы м ассы адсорбе нта (м 2 /г) находятп оу равне нию : S у д = S m⋅ Г ′ ∞ ⋅ N . (10) 2
Э к сп ер и м ен тал ьн ая ч асть Ц е л ь работы : 1) рассчитать изоте рм у м ол е ку л ярной адсорбц ии П АВ на п ове рхностиразде л а раствор/возду х; 2) вы числ ить м ол е ку л ярны е характе ристики насы щ е нного адсорбц ионного сл оя; 3) оп ре де л ить адсорбц ию П АВ на активированном у гл е и рассчитать е го у де л ьну ю п ове рхность. В каче стве П АВ п рим е няю тодин из сп иртов жирногоряда. В табл иц е 1 п риве де ны не которы е характе ристики П АВ и ре ком е нду е м ы е у сл овия п рове де ния оп ы тов. Т абл иц а 1 С войства н-п роп ил овы й М ол ярная м асса, г/м ол ь 60 3 П л отность, г/см 0,80 И сходная конц е нтрац ия, 0,5 м ол ь/л Н аве ска у гл я, г 4
П АВ : сп ирты н-бу ти- н-ам ил овы й л овы й 76 88 0,81 0,81 0,5 0,2 2
1
н-ге ксил овы й 102 0,82 0,05 0,2
И з исходного раствора П АВ готовятряд растворов таким образом , чтобы конц е нтрац ия каждогоп осл е ду ю щ е гораствора бы л а вдвое бол ьш е п ре ды ду щ е го.
10 Д л я этого в м е рну ю кол бу на 50 м л вводятиз бю ре тки п осл е довате л ьно 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25 м л исходного раствора П АВ и доводятсоде ржим ое кол бы дом е ткидистил л ированной водой. Х орош о п е ре м е ш ав соде ржим ое кол бы , п е ре л иваю трастворы в чисты е су хие скл янки на 50 м л . О тбираю тв таку ю скл янку также 50 м л исходногораствора. Н а те хниче ских ве сах бе ру т6 наве сок активированного у гл я. (Е сл и у гол ь в грану л ах, то е го хорош о п е ре тираю тв сту п ке .) В зяты е наве ски (согл асно табл иц е 1) че ре з воронку с ш ироким горл ом вносятв чисты е су хие скл янки объ е м ом 30-50 м л . В скл янки с наве скам и п ип е ткой п е ре носятп о 30 м л п риготовл е нны х растворов. С кл янки закры ваю тп робкам и, п е ре м е ш иваю твстряхивание м в тече ние 1 – 2 м ину ти оставл яю тна 1,5 – 2 часа дл я у становл е ния адсорбц ионного равнове сия. В те че ние этоговре м е нип е риодиче скип овторяю твстряхивание . П ока в растворах с у гл е м у станавл ивае тся адсорбц ионное равнове сие , изм е ряю т п ове рхностное натяже ние п риготовл е нны х растворов (бе з у гл я) в п орядке возрастания конц е нтрац ии. И зм е ре ния п роводятодним из п ол у статиче ских м е тодов: 1) сче та кап е л ь (стал агм ом е триче ский м е тод); 2) м аксим ал ьногодавл е ния в п у зы рьках (на п риборе Р е бинде ра); 3) отры ва кол ьц а (на п риборе Д ю -Н у и). 1. М е тод сче та кап е л ь Ф изиче ские основы стал агм ом е триче ского м е тода закл ю чаю тся в сл е ду ю щ е м . В м ом е нт отры ва кап л и жидкости от нижне го конц а ве ртикал ьной тру бки е е ве с Р у равнове ш ивае тся сил ой п ове рхностного натяже ния Fσ, которая де йству е твдол ь п е рим е тра ш е йкикап л иип ре п ятству е те е отры ву . В п е рвом п рибл иже ниим ожносчитать, что F σ=2πRσ , (11) где R -вну тре нний радиу с тру бки. Т ак как в м ом е нтотры ва F σ =P, то, оп ре де л ив ве с кап л иР, м ожновы числ ить п ове рхностное натяже ние . Е сл и п ри вы те кании объ е м а жидкости V образовал ось n кап е л ь, то ве с одной кап л и Р раве н Р = Vρg/n , где ρ - п л отность , g - у скоре ние свободногоп аде ния. П риотры ве кап л иР = F σ и Vρg = 2πRσ . n
Д л я стандартной жидкости (с изве стны м п ове рхностны м натяже нием)
Vρ 0 g = 2πRσ 0 . n0
П оде л ив одновы раже ние на дру гое , п ол у чим
11
ρ n0 σ ρ n0 = , отку да σ = σ 0 . ρ0 n σ 0 ρ0 n
(12)
Д л я оп ре де л е ния числ а кап е л ь, образу е м ы х п ри вы текании оп ре де л е нногообъ е м а жидкости, п ол ьзу ю тся стал агм ом е тром (рис.3). О н п ре дставл яе тсобой сте кл янну ю тру бку с расш ире ние м п осе ре дине , заканчиваю щ у ю ся кап ил л яром . И ногда тру бка им е е т горизонтал ьну ю часть (рис.3), в котору ю вп аян тонкий кап ил л яр, чтобы зам е дл ить исте че ние жидкости. В ы ш е иниже расш ире ния нане се ны м е тки, ограничиваю щ ие объ е м V. Д л я расче та σ оп ре де л яю тчисл о кап е л ь n 0 и n. И х образу ю т соотве тстве нно стандартная жидкость Р ис.3. С тал агм ом е тры (обы чно дистил л ированная вода) и иссл е ду е м ая жидкость п ривы те кании отве рхне й донижне й м е тки. С тал агм ом е триче ская у становка изображе на схе м атиче ски на рис.4. И зм е ре ния п роводятсл е ду ю щ им образом . П е ре кры в кран 1, п ри откры том кране 2 сл е гка сжим аю тре зинову ю гру ш у 3, п осл е че го кран 2 закры ваю т. П рип одняв кю ве ту (стаканчик) 4, п огру жаю ткончик стал агм ом е тра в иссл е ду е м у ю жидкость (кю ве та дол жна бы ть зап ол не на на ~ 3/4 объ е м а). С л е гка п риоткры в кран 1, м е дл е ннозасасы ваю тжидкость в стал агм ом е тр. К ак тол ьком е ниск п е ре се че тве рхню ю м е тку , не м е дл е нно закры ваю ткран 1, ноне оп у скаю ткю ве ту . Н е обходим о вы ждать не которое вре м я, п ока не п ре кратится п овы ш е ние у ровня жидкости в стал агм ом е тре , иначе в не го п оп аде твозду х. К огда м е ниск остановится, кю ве ту оп у скаю т на стол ик. Ж идкость начинае т м е дл е нноп окап л ям вы те кать из стал агм ом е тра. П рибор сообщ ае тся с атм осф е рой че ре з тончайш ий кап ил л яр 5, бл агодаря че м у достигае тся достаточном ал ая скорость образования кап е л ь (одна кап л я за ~ 10-15 с). К ак тол ько м е ниск достигае т ве рхне й м е тки, начинаю т сче т кап е л ь, п ри достиже нии нижне й м е тки заканчиваю т. С растворам и каждой конц е нтрац ии (начиная с дистил л ированной воды ) Рис.4. С тал агм ом е триче ская у становка п роводят изм е ре ния не м е не е тре х раз. П о окончании работы стал агм ом е тр п ром ы ваю тдистил л ированной водой. Р е зу л ьтаты изм е ре ний зап исы ваю тв табл иц у 2:
12 № конц е нтрац ия, Р аствора м ол ь/л
Числ окап е л ь,n
Т абл иц а 2. сре дне е σ·10 3 , значе ние , Н \м n
1 2 3 П ове рхностное натяже ние рассчиты ваю тп о ф орм у л е (12). Значе ние σ0 п ри тем п е рату ре оп ы та бе ру тиз сп равочника л ибо рассчиты ваю тп о ф орм у л е σ0 = σ + α (T- 293), (13) где σ - п ове рхностное натяже ние воды п ритем п е рату ре 293 0К (72,75м Н /м ); α - тем п е рату рны й коэф ф иц ие нтп ове рхностного натяже ния (дл я воды α = -0,15 м Н /м ⋅К ). О тнош е ние ρ /ρ 0 дл я исп ол ьзу е м ы х в растворе разбавл е нны х растворов П АВ м ожноп ринять равны м е диниц е . В табл иц у вносяттакже данны е дл я воды (С = 0). 2. М е тод м аксим ал ьногодавл е ния в п у зы рьках М е тод основан на изм е ре нии кап ил л ярного давл е ния в п у зы рьке газа (возду ха), вы давл ивае м ом че ре з кап ил л яр в иссл е ду е м у ю жидкость. Е сл и п ом е стить на п ове рхность жидкости кончик сте кл янной кап ил л ярной тру бки, сое дине нной с источником давл е ния, затем п овы сить давл е ние в кап ил л яре , топ ове рхность жидкости в не м искривл яе тся (считае м , чтов начал ьны й м ом е нтона п л оская). Р адиу с кривизны образовавш е гося м е ниска у м е ньш ае тся п ом е ре образования п у зы рька (рис. 5). П риэтом возникае ткап ил л ярное давл е ние , равное P к = 2 σ/R , (14) где R – радиу с кривизны п ове рхности. О норавноп ове л ичине ип ротивоп ол ожноп онап равл е нию избы тку вне ш не годавл е ния ∆P, п од де йствие м которогоп роисходитобразование п у зы рька. Р ис.5 Т .е . в кажды й м ом е нтвре м е ни вне ш не е давл е ние у равнове ш ивае тся кап ил л ярны м давл е ние м состороны сте нкип у зы рька. В соотве тствиис у равне ние м (1), кап ил л ярное давл е ние возрастае т от0 (R = ∞) дом аксим ал ьногозначе ния, когда п у зы ре к п риним ае тф орм у п ол у сф е ры (R достигае т м иним ал ьного значе ния, равного радиу су п росве та кап ил л яра r). В этот м ом е нт п роисходитотры в п у зы рька. Н а сам ом де л е , п ри дал ьне йш е м у ве л иче нии вне ш не годавл е ния радиу с кривизны п у зы рька начинае твозрастать, кап ил л ярное давл е ние п адае тиу же не м оже ту равнове сить вне ш не е давл е ние . Т аким образом , в м ом е нтотры ва п у зы рька
13 P к = 2 σ / r. (15) И з у равне ния (2) л е гкорассчитать ве л ичину σ, зная радиу с кап ил л яра r и оп ре де л ив P к п о разности у ровне й жидкостногом аном е тра, сое дине нногос кап ил л яром . Чтобы избе жать оп ре де л е ния r иP к исп ол ьзу ю тстандартну ю жидкость с изве стны м п ове рхностны м натяже ние м . У равне ние (15) дл я стандартной жидкости: (Pк ) 0 = 2 σ0 /r . П у те м де л е ния Рк на (P к ) 0 п ол у чим : Рк /(P к ) 0 = σ /σ0. Т .к. давл е ние п роп орц ионал ьноразностиу ровне й п однятия жидкостив м аном е тре , тоσ /σ0 = h/h 0 , отку да σ = σ0 h/h 0 = Кh , (16) где h и h 0 – разность у ровне й в м аном е триче ской тру бке в м ом е нтп роскока соотве тстве ннодл я исп ы ту е м ой истандартной жидкости. В е л ичина К явл яе тся константой п рибора п ри изм е ре нии с одним и те м же кап ил л яром и п ри п остоянном накл оне м аном е тра. С л е ду е тобращ ать вним ание , чтокончик кап ил л яра дол же н л иш ь касаться п ове рхности жидкости ине дол же н бы ть п огру же нны м вгл у бь раствора. В ы п ол не ние работы С хе м а п рибора П .А.Р е бинде ра дл я оп ре де л е ния п ове рхностного натяже ния п ре дставл е на на рис.6. И ссл е ду е м ы й раствор нал ивае тся в ваку у м ну ю п робирку 1, им е ю щ у ю боковой отросток, с п ом ощ ью которого она сое дине на с источником разре же ния 2 (асп иратором ) и накл онны м м аном е тром 3. С те кл янная тру бка 4, заканчиваю щ аяся кап ил л яром ,закре п л яе тся в п робирке так, чтобы кончик кап ил л яра тол ько касал ся п ове рхностижидкости. И збы ток давл е ния в кап ил л ярной тру бке создаю т, образу я разре же ние в п робирке п у тём вы п у скания жидкости из асп иратора 2. О тводная тру бка асп иратора заканчивае тся ре зиновы м ш л ангом с винтовы м зажим ом дл я ре гу л ирования скорости нарастания п е ре п ада давл е ния в систе м е и, значит, скорости образования п у зы рьков. Р ис.6 С хе м а п рибора Р е бинде ра Д л я изм е ре ния давл е ния обы чно исп ол ьзу ю т накл онны й м аном е тр (3),
14 которы й обе сп е чивае тбол е е вы соку ю точность. В каче стве м аном е триче ской жидкости сл у житп одкраш е нны й тол у ол . У гол накл она м аном е тра п одбираю ттаким образом , чтобы в се рии изм е ре ний отсчёту ровня в м ом е нтп роскока п у зы рька дл я жидкости с наибол ьш им значе ние м σ находил ся в коне чной части ш кал ы . Э топ озвол яе ту м е ньш ить относите л ьну ю ош ибку п ри отсчёте п оказаний м аном е тра. П ри работе с водны м и растворам иу гол накл она у станавл иваю тп оводе . К ран 5 сое диняе тасп иратор с систе м ой, кран 6 п озвол яе тсое динить систе м у с атм осф е рой, не у м е ньш ая (п ри закры том кране 5) разре же ния, достигну тогов асп ираторе : расш ире ние 7 сл у житл ову ш кой, п ре дотвращ аю щ е й п оп адание м аном е триче ской жидкости в систем у . И зм е ре ние п ове рхностногонатяже ния п роисходитсл е ду ю щ им образом . В аку у м ну ю п робирку икап ил л яр п ром ы ваю тхром овой см е сью , а затем водоп роводной и дистил л ированной водой. С л е ду е т п ом нить, что не значите л ьны е жировы е загрязне ния су щ е стве нновл ияю тна п ове рхностное натяже ние водны х растворов. П оэтом у не доп у стим окасаться кап ил л ярного кончика ру кам и, кл асть кап ил л яр на л абораторны й стол и т.д. Р аствор (ил и стандартная жидкость) нал ивае тся в п робирку дом е тки. П риработе с органиче ским ижидкостям ип робирку икап ил л яр сл е ду е твы су ш ивать. К ап ил л ярну ю тру бку закре п л яю тв п робирке так, чтобы она бы л а п арал л е л ьна осип робирки бе з п е ре косов, а коне ц кап ил л яра л иш ь касал ся п ове рхности жидкости. Е сл и кап ил л ярны й кончик п огру жае тся в жидкость, тоизбы ток е ё м ожноу дал ить засасы вание м в расш ире ние над кап ил л яром , п ока не п ре рвётся контакткап ил л яра с п ове рхностью . О тбросив избы ток жидкости, п овторно у станавл иваю т кап ил л яр в п робирку . П одкл ю чаю т п робирку к систем е п ри кране 6, откры том на атм осф е ру (п ол оже ние а, рис.6). О тм е чаю тначал ьное п ол оже ние м е ниска жидкости в м аном е тре h 1 , когда систе м а сообщ ае тся с атм осф е рой, откл ю чаю тсисте м у отатм осф е ры (п ол оже ние b, рис.6). О ткры ваю ткран 5 и кран асп иратора. П од де йствие м возрастаю щ е й разности давл е ний ∆P над жидкостью в кап ил л яре начинае тся м е дл е нное ф орм ирование п у зы рька у кап ил л ярногокончика. У рове нь жидкостив м аном е тре п овы ш ае тся. В м ом е нтотры ва п у зы рька давл е ние ре зкоп адае тизатем снова м е дл е нновозрастае т. О тм е чаю тп ол оже ние м е ниска в м аном е тре в м ом е нтотры ва п у зы рька h 2 . О п ре де л е ние п овторяю т3 раза ибе ру тсре дне е значе ние . В начал е п роводятизм е ре ние стандартной жидкости, затем иссл е ду е м ой. В каче стве стандартной жидкости обы чно сл у житдистил л ированная вода, п е ре гнанная над К М nО 4 . Р асчёт п ове рхностного натяже ния п роизводят п о ф орм у л е (16), п ричём h = h 2 – h 1 , где h 2 – п ол оже ние м е ниска в м ом е нтотры ва, h 1 – исходное п ол оже ние .
15 3. М е тод отры ва кол ьц а М е тод основан на изм е ре нии у сил ия, не обходим огодл я отры ва п ровол очногокол ьц а отп ове рхностижидкости. П ри п однятии кол ьц а, соп рикасаю щ е гося с п ове рхностью жидкости, вм е сте с кол ьц ом бл агодаря см ачиванию и адге зии п одним ае тся стол бик жидкости (рис.7). П рил оже нная сил а F равна ве су вы тягивае м ой жидкостиР. Р азры ву стол бика жидкости п ре п ятству е тсил а п ове рхностного натяже ния Fσ , де йству ю щ ая п о п е рим е тру см ачивания иравная F σ =4π Rσ. К огда вы тягиваю щ ая сил а (и ве с стол ба жидкости) становятся равны м и сил е п ове рхностного натяже ния Fσ , п роисходитразры в стол бика, икол ьц ос п рил ип ш е й к Р ис.7 не м у жидкостью отры вае тся от п ове рхности. В м ом е нтотры ва кол ьц а F= Fσ = 4π Rσ. (17) И зм е рив с п ом ощ ью чу вствител ьногодинам ом е тра F изная R, л е гко рассчитать σ. У равне ние (17) не вп ол не точно. О но п ре дп ол агае т, что п одним ае м ы й стол бик жидкостиим е е тф орм у п ол огоц ил индра с тол щ иной сте нок, равной диам е тру п ровол оки, однакоэтоне вы п ол няе тся в де йствите л ьности. Х аркинсом в у равне ние (17) бы л вве де н п оп равочны й коэф ф иц ие нт f, у читы ваю щ ий ф орм у стол ба вы тягивае м ой жидкости. Е сл и радиу с кол ьц а ве л ик п осравне нию с радиу сом п ровол оки (R>>r) и е сл и не тре бу е тся вы сокой точности оп ре де л е ния, том ожноп ринять f ≅1 и в таком сл у чае п ове рхностное натяже ние м ожно изм е рять относите л ьны м м е тодом , т.е . п рокал ибровать ш кал у изм е рите л ьногоп рибора п остандартной жидкости с изве стны м п ове рхностны м натяже ние м . Д л я стандартной жидкостиу равне ние (17) зап иш е тся в виде F 0 = 4π Rσ0 . (18 ) Д е л я у равне ние (17) на (18), п ол у чим : F/F0 = σ /σ0 = n /n 0, где n иn 0 – отсче ты п ош кал е л им ба дл я исп ы ту е м ой истандартной жидкости, п роп орц ионал ьны е сил е отры ва. О тсю да п ове рхностное натяже ние иссл е ду е м ой жидкостиравно: σ = σ0 ⋅ n /n 0= K⋅ n. (19)
16 Значе ние K – п остоянная п рибора дл я данного кол ьц а п ри не изм е нном натяже ниинити. М е тод отры ва кол ьц а достаточноп рост, точе н, однакоп рие говы п ол не нии не обходим о собл ю дать ряд у сл овий: 1) кол ьц о дол жно бы ть п л оским ип ол ностью см ачиваться жидкостью (п рине п ол ном см ачивании п ол у чаю тся заниже нны е ре зу л ьтаты ); 2) п л оскость кол ьц а и п ове рхность жидкости дол жны бы ть строго п арал л е л ьны ; 3) п ове рхность жидкости дол жна бы ть достаточно ве л ика, чтобы искл ю чить вл ияние м е ниска у стенкисосу да; 4) не доп у стим осотрясе ние п рибора в ходе изм е ре ния. Вы п ол н ен и е р аботы О бы чнодл я изм е ре ния сил ы отры ва кол ьц а исп ол ьзу ю тп рибор Д ю -Н у и. Т е нзиом е тр Д ю -Н у и(рис.8) им е е ту п ру гу ю (стал ьну ю ) нить 1, к которой п рикре п л е нокором ы сл о2 с крю чком . Н а крю чок п одве ш ивае тся п л атиновое кол ьц о3 с ду жкой. Н ить натягивае тся изакре п л яе тся таким образом , чтобы кором ы сл ос п одве ш е нны м на не гокол е чком находил ось в горизонтал ьном п ол оже нии, когда у казате л ь 4 стоитна ну л е п оотсче тном у л им бу 5. И ссл е ду е м у ю жидкость в ш ироком бю ксе п ом е щ аю тна стол ик 6, которы й м оже тп е ре м е щ аться п ове ртикал и. П рип ол оже нииу казате л я на отм е тке 0 стол ик с раствором п одним аю твращ е ние м ру коятки7 доте х п ор, п ока кол ьц оне косне тся п ове рхностижидкости. Зате м у п ру гу ю м е тал л иче ску ю нить 1 закру чиваю тп ротив часовой стре л ки, вращ ая ру коятку . П риэтом кором ы сл у с п одве ш е нны м на не го кол ьц ом сообщ ае тся у сил ие , нап равл е нное вве рх и стре м ящ е е ся оторвать кол ьц о от п ове рхности жидкости. П ри закру чивании нити у казате л ь п е ре м е щ ае тся п ош кал е л им ба. О тм е чаю тп оказание ш кал ы , отве чаю щ е е м ом е нту отры ва кол ьц а отп ове рхностижидкости. Р ис.8. П рибор Д ю -Н у и Д л я п овторногоизм е ре ния возвращ аю ту казате л ь в ну л е вое п ол оже ние , вращ ая ру коятку в обратном нап равл е нии. П ри этом кол ьц о вновь соп рикасае тся с п ове рхностью жидкости. П е рвы й (орие нтировочны й) отсче тде л аю тп ри достаточно бы стром закру чивании нити. П осл е ду ю щ ие 2-3 рабочие изм е ре ния п роводят, закру чивая нить м е дл е нноип л авно. Р асхожде ния м е жду п арал л е л ьны м и оп ре де л е ниям и не дол жны п ре вы ш ать 0,5-1,0 де л е ния ш кал ы . О собое вним ание сл е ду е т обращ ать на осторожность п ри работе с кол ьц ом , которое изготовл е но из тонкой п ровол оки и л е гко де ф орм иру е тся п рине осторожном обращ е нии. П осл е каждогоизм е ре ния кол ьц оне -
17 обходим ооп ол аскивать в дистил л ированной воде ивы су ш ивать, п ол ожив на ф ил ьтровал ьну ю бу м агу . П осл е вы де рживания растворов с у гл е м не обходим ое вре м я растворы ф ил ьтру ю т и изм е ряю т п ове рхностное натяже ние ф ил ьтратов. Д анны е также зап исы ваю тв табл иц у . О бр аботк а р езул ьтатов а) П острое ние изотерм ы адсорбц ииП АВ на п ове рхностиразде л а раствор – возду х ирасче тадсорбц ионны х характе ристик м ол е ку л П АВ . И сп ол ьзу ю т л ибо граф иче ский м е тод, л ибо расче тп о у равне ниям Л е нгм ю ра иШ иш ковского(п оу казанию п ре п одавате л я). П орядок расче та п рип острое нииизотерм ы адсорбц ии с п ом ощ ью у равне ний Л е нгм ю ра иШ иш ковского 1. С троят криву ю зависим ости σ от С (рис.9). Н а эксп е рим е нтал ьной кривой зависим ости σ (С ) вы бираю т5-6 точе к, вы числ яю тдл я них ∆ σ и lnС . С троятграф ик зависим ости∆σ (lnС ) (рис.10). 2. П онакл ону п рям ой ∆σ (lnС ) находятве л ичину константы а у равне ния Ш иш ковского (как танге нс у гл а накл она) и рассчиты ваю тп ре де л ьну ю адсорбц ию А ∞ , исп ол ьзу я Р ис.9. И зотерм а п ове рхноф орм у л у (6). стногонатяже ния П ри расче те накл она п рям ой ∆σ (lnС ) не обходим о п ом нить, что дл ины кате тов тре у гол ьника, вы бранного дл я расче та, дол жны бы ть вы раже ны в е диниц ах тех ве л ичин, которы е отл оже ны на осях координат, с у че том м асш таба. 3. Э кстрап ол иру ю тп рям у ю ∆σ (lnС ) до Р ис.10. Зависим ость ∆σ п е ре се че ния с л иние й (норм ал ью к оси абс- (lnС ) ц исс), п роходящ е й че ре з точку lnС = 0, и находятординату точки п е ре се че ния. С огл асно у равне нию (7), п ри lnС = 0 ∆σ = а lnb. И сп ол ьзу я найде нны е значе ния а и∆σ, рассчиты ваю тb. В е л ичина b равна К в у равне нииЛ е нгм ю ра (е диниц а изм е ре ния константы а- Д ж/м 2 , К - л /м ол ь). 4. П оу равне нию Л е нгм ю ра рассчиты ваю тзначе ние А дл я разл ичны х конц е нтрац ий и строятизотерм у адсорбц ии А (С ). Н е обходим ы е дл я расче та данны е зап исы ваю тв табл иц у 3:
18
Т абл иц а 3 Адсорбц ия А ·10 6 , м ол ь/м 2
КС 1+КС КС /1+КС К онц е нтрац ия раствора П АВ , м ол ь/л 5. В ы числ яю тзначе ние п л ощ ади м ол е ку л ы S m (в м 2 ) и тол щ ины адсорбц ионногосл оя h (в м ) п оф орм у л ам (8) и(9).
1.
2. 3.
4.
П орядок расче та п рип острое нииизотерм ы адсорбц ии граф иче ским м е тодом С трояткриву ю зависим ости σ отС (рис.11,а). Н а эксп е рим е нтал ьной кривой зависим ости σ (С ) вы бираю т5-6 точе к, п роводятк ним касател ьны е (м е тодом зе ркал а) и оп ре де л яю тотре зки z. (Д л ину отре зков вы ражаю тв е диниц ах п ове рхностногонатяже ния.) В ы числ яю тзначе ния Г п оф орм у л е (2) истроятизоте рм у адсорбц ииГ =f(С ). В ы числ яю тзначе ния С /Г и строятграф ик зависим ости С /Г = f (С ). П о граф ику находятконстанты Г ∞ (равняе тся котанге нсу у гл а накл она α) и k (у читы вая, что отре зок, отсе кае м ы й п рям ой на оси ординат, раве н 1/ Г ∞ k). Н е обходим ы е дл я расче та данны е зап исы ваю тв табл иц у 4. Рис.11 П острое ние изоте рм ы адВ ы числ яю тзначе ние п л ощ ади м ол е ку - сорбц ии 2 п оизотерм е п ове рхнол ы S m (в м 2 ) и тол щ ины адсорбц ионно- стногонатяже ния 1 госл оя h (в м ) п оф орм у л ам (8) и(9).
Т абл иц а 4. № п /п
К онц е нтрац ия раствора П АВ , м ол ь/л
σ, м Н /м
Z,м Н /м
Г , м ол ь/м 2 С /Г
19
б) Р асче ту де л ьной п ове рхностиактивированногоу гл я 1.Н а п острое нном ране е граф ике зависим ости σ (С ) строятизоте рм у п ове рхностного натяже ния σ′ (С ) п осл е адсорбц иина у гл е (рис.12). 2. П о п овы ш е нию п ове рхностного натяже ния растворов п осл е адсорбц ии на у гл е находятграф иче ским п у те м остаточну ю равнове сну ю конц е нтрац ию П АВ С р . Д л я этого исп ол ьзу ю ткриву ю σ (С ) как кал ибровочну ю . С хе м а оп ре де л е ния С р дл я л ю бого раствора с исходной конц е нтрац ие й С п оказана на Р ис.12. И зотерм ы п ове рхностного рис.12. натяже ния доип осл е адсорбц иина Адсорбц ию П АВ на у гл е Г ′ (в м ол ях на активированном у гл е 1 г адсорбе нта) рассчиты ваю тп оф орм у л е Г ′ = (С - С р)⋅V/m , (15) где V - объ е м раствора (л ); m - наве ска адсорбе нта (г). Р е зу л ьтаты расче та зап исы ваю тв табл иц у 5. Т абл иц а 5 № образц а
К онц е нтрац ия П АВ , м ол ь / л И сходная С
Р авнове сная С р
С – С р, м ол ь/л
Г ′, м ол ь / г
3. С троятизотерм у адсорбц иина у гл е Г ′ ( С р). П ограф ику находят п ре де л ьное значе ние адсорбц ииГ ′ ∞ . Е сл ина изотерм е не ту частка, отве чаю щ е гоп ре де л ьной адсорбц ии, п осту п аю тп оу казанию п ре п одавате л я. 4. В ы числ яю ту де л ьну ю п ове рхность активированногоу гл я п оф орм у л е (10), исп ол ьзу я значе ние м ол е ку л ярной п л ощ адкиS m, п ол у че нное в п е рвой частиработы . К он тр ол ьн ы е воп р осы и уп р аж н ен и я 1. Д айте оп ре де л е ние п онятий “свободная п ове рхностная эне ргия” и “п ове рхностное натяже ние ”. В каких е диниц ах ониизм е ряю тся? П окажите эквивал е нтность этих е диниц . 2. К акие ве щ е ства назы ваю тся п ове рхностно-активны м и? В че м закл ю чае тся м ол е ку л ярны й м е ханизм сниже ния п ове рхностногонатяже ния в п рису тствии П АВ ? П оче м у NaCl явл яе тся п ове рхностно-инактивны м , а C nH 2n+1 COONa - п ове рхностно-активны м ве щ е ством ?
20 3. К ак найти значе ния констант у равне ния Л е нгм ю ра с п ом ощ ью изоте рм ы п ове рхностного натяже ния? Р ассчитайте значе ние п ове рхностной активностиВ аш е гоП АВ с исп ол ьзование м этих констант. 4. К акие ве л ичины характе ризу ю тм ол е ку л ярну ю стру кту ру насы щ е нного адсорбц ионного сл оя? К ак их рассчитать? К ак дол жны изм е няться этиве л ичины в гом ол огиче ском ряду П АВ ? 5. О ткаких ф акторов зависитве л ичина п ре де л ьной адсорбц ии (А ∞ ) П АВ на границ е разде л а жидкость-газ и жидкость-тве рдое те л о? П риве дите п рим е ры исп ол ьзования явл е ний адсорбц ии в биол огии и п очвове де нии. Р абота2. О П Р Е ДЕ Л Е Н И Е Э Л Е К ТР О К И Н Е ТИ Ч Е С К О ГО П О ТЕ Н Ц И АЛ А ЗО Л Я М Е ТО ДО М Э Л Е К ТР О Ф О Р Е ЗА Н а п ове рхности разде л а ф аз в дисп е рсны х систе м ах, как п равил о, су щ е ству е т двойной эл е ктриче ский сл ой (Д Э С ) ионов. О н возникае т всл е дствие адсорбц ии ионов из окру жаю щ е й сре ды л ибо за сче тдиссоц иац иим ол е ку л (атом ны х гру п п ) на п ове рхностите л а. И оны , находящ ие ся на п ове рхности (п отен ци ал ооп р ед ел я ю щ и е ионы ), создаю твбл изи п ове рхности инте нсивное эл е ктриче ское п ол е , которое п ритягивае т ионы п ротивоп ол ожного знака (п р оти вои он ы ). Э том у п ре п ятству е ттеп л овое движе ние , п од де йствие м которогоионы стре м ятся диф ф у ндировать в объ е м дисп е рсионной сре ды . В ре зу л ьтате сл ой п ротивоионов п риобре тае тд и ф ф узн ое строе ние и у станавл ивае тся равнове сное расп ре де л е ние их вбл изи п ове рхности, п ри котором конц е нтрац ия п ротивоионов у м е ньш ае тся п ооп ре де л е нном у закону с у дал е ние м отп ове рхности. Э л е ктроне йтрал ьны й ком п л е кс, вкл ю чаю щ ий заряже нну ю кол л оидну ю частиц у иокру жаю щ ий е е сл ой п ротивоионов, назы вае тся м и цел л ой (рис.1).
21
Р ис.1 С трое ние м иц е л л ы С огл асно совре м е нны м п ре дставл е ниям , не которое числ о п ротивоионов п рочно связано с ядром м иц е л л ы в ре зу л ьтате де йствия как эл е ктростатиче ских, так и адсорбц ионны х сил , и образу е т ад сор бци он н ы й сл ой п ротивоионов (сл ой Ш терна). О стал ьны е образу ю т д и ф ф узн ы й сл ой (сл ой Г у и) (см .рис.1). П рим е ром образования отриц ате л ьного п ове рхностного эл е ктриче ского заряда у не растворим ого ве щ е ства за сче тионизац ии явл яе тся оксид кре м ния (1У ) в воде (основная составная часть п очв). С трое ние м иц е л л ы м оже тбы ть вы раже но ф орм у л ой, которая отражае тп рироду дисп е рсной ф азы , п рироду и расп ре де л е ние п оте нц иал оп ре де л яю щ их ионов ип ротивоионов : М иц е л л а { m [SiO 2 ] ⋅ n SiO -⋅ (n-x) H + ] x- xH + агре гат ядром иц е л л ы частиц а Зде сь агре гат- кристал л ик SiO 2 , соде ржащ ий m м ол е ку л ; ядром иц е л л ы - агре гатвм е сте с адсорбированны м и на е го п ове рхности n п оте нц иал ооп ре де л яю щ им и ионам и ( SiO - ),частиц а - эл е ктриче ски заряже нны й ком п л е кс ( с зарядом х - ) , вкл ю чаю щ ий ядром иц е л л ы и (n-х) п ротивоионов H + ( x< n). Э топ ротивоионы сл оя Ш те рна, а также не которая часть п ротивоионов диф ф у зного сл оя, у вл е кае м ая частиц е й п ри е е движе нии в жидкой сре де . Заряд частиц ы ( х - ) ком п е нсиру е тся п ротивоионам и( х H +) окру жаю щ е гое е диф ф у зногосл оя. К аждая точка эл е ктриче ского п ол я в Д Э С характе ризу е тся оп ре де л е нны м значе ние м п отенц иал а ϕ. О н раве н ϕ 0 на п ове рхности (х = 0) и п адае тдо0 на вне ш не й границ е Д Э С . С у дал е ние м отм е жф азной грани-
22 ц ы п отенц иал п адае ткру то (п оп рям ой) в сл ое Ш терна и бол е е п ол ого( п окривой), в диф ф у зном сл ое (cм . рис.1 ). К ривая п аде ния п отенц иал а ϕ(х) в диф ф у зной частиД Э С (п рим ал ы х значе ниях ϕ 0) оп исы вае тся у равне ние м ϕ = ϕ 0 ⋅ e -χx , (1) где x - расстояние отграниц ы сл оя Ш те рна до данной точки ; 1/χ =λ.. λ - эф ф ек ти вн ая тол щ и н а диф ф у зной части Д Э С . Ф изиче ский см ы сл λ сл е ду е тиз у равне ния (1): п рих = λ ϕ = ϕ 0 /е, т.е . λ - эторасстояние , на котором п оте нц иал Д Э С у м е ньш ае тся в е раз. П ри м ал ой ионной сил е cре ды λ составл яе тсотни наном е тров. Т е ория Д Э С дае т сл е ду ю щ е е вы раже ние дл я расче та λ : λ=1/χ=√εε 0 RT/2F 2J , (2) где ε- относите л ьная диэл е ктриче ская п рониц ае м ость cре ды ; ε 0 эл е ктриче ская п остоянная; F - числ оФ араде я; J - ионная сил а . К ак п оказы вае тф орм у л а (2), λ у м е ньш ае тся с п овы ш е ние м J , т.е . п ри вве де нии в зол ь эл е ктрол итов диф ф у зны й Д Э С “сжим ае тся”. (С л е ду е тзам е тить, чтоим е ю тся в виду так назы вае м ы е и н д и ф ф ер ен тн ы е эл е ктрол иты , т.е . те, которы е не им е ю тионов, сп особны х адсорбироваться и достраивать кристал л иче ску ю ре ш е тку частиц ы и, сл е довате л ьно, не м огу тм е нять ϕ 0 .) Е сл и кол л оидны й раствор п ом е стить вовне ш не е эл е ктриче ское п ол е , то набл ю дае тся эл ек тр оф ор ез - кол л оидная частиц а движе тся к одном у из эл е ктродов, а п ротивоионы - к дру гом у эл е ктроду . П ри этом часть п ротивоионов движе тся вм е сте с частиц е й: это, как отм е чал ось вы ш е , п ротивоионы сл оя Ш те рна, а также та часть п ротивоионов диф ф у зного сл оя, которая закл ю че на в сл ое раствора, п рим ы каю щ е м к п ове рхности и движу щ е м ся с не ю в сил у гидродинам иче ских законов. П оэтом у п оте нц иал на г р ан и це ск ол ьж ен и я не раве н ϕ 0, а все гда м е ньш е е го( рис.2). П отенц иал двойного эл е ктриче ского сл оя, отве чаю щ ий границ е скол ьже ния, назы вае тся эл ек тр ок и н ети ч еск и м ил и ζ-п оте нц иал ом . ζп оте нц иал частиц явл яе тся важной характе ристикой зол я, т.к. обы чно обнару живае тся п рям ая связь м е жду этой ве л ичиной и агре гативной у стойчивостью систе м ы . П риу ве л иче ниив систем е конц е нтрац иииндиф ф е ре нтногоэл е ктрол ита п роисходитвсе бол ьш е е сжатие диф ф у зного Д Э С и ζ- п оте нц иал п онижае тся, п ока не стане травны м ну л ю , чтоотве чае т и зоэл ек тр и ч еск ом у состоя н и ю систе м ы (см .рис.2). С вязь м е жду ζ-п оте нц иал ом и скоростью эл е ктроф оре за оп исы вае тся у равне ние м Г е л ьм гол ьц а - С м ол у ховского:
23 U =
εε 0 H , η
(3)
где η - вязкость дисп е рсионной сре ды ; Н - нап ряже нность эл е ктриче скогоп ол я. Р ис.2 О днако это у равне ние не у читы вае тэф ф е кта эл ек тр оф ор ети ч еск ог о тор м ож ен и я , вы зы вае м ого вл ияние м вне ш не го п ол я на Д Э С : п од де йствие м п ол я п ротивоионы диф ф у зногосл оя п е ре м е щ аю тся в нап равл е нии, п ротивоп ол ожном движе нию частиц ы , вовл е кая в движе ние окру жаю щ у ю жидкость, так чтоэл е ктроф оре тиче ская скорость у м е ньш ае тся. П оэтом у у равне ние Г е л ьм гол ьц а-С м ол у ховского м оже т п рим е няться, л иш ь когда тол щ ина Д Э С нам ногом е ньш е разм е ра частиц ы : λ << r ил и χr >>1 ( п арам е тр χr назы ваю тбе зразм е рны м радиу сом частиц ы ). Э л е ктроф оре з находитш ирокое п рим е не ние в п ром ы ш л е нности, нап рим е р, в ф арф оровом п роизводстве дл я вы де л е ния из су сп е нзии гл ин чистого каол ина. Н аибол е е м е л кие отриц ате л ьно заряже нны е частиц ы каол ина п осл е тщ ате л ьного взм у чивания в воде осаждаю тся на вращ аю щ е м ся свинц овом барабане , заряже нном п ол ожител ьно. П осторонние п рим е си - чащ е все гоп ол ожите л ьно заряже нны е частиц ы Fe 2 O 3 , а также бол е е кру п ны е частиц ы коал ина у носятся водой. Э тотм е тод исп ол ьзу е тся также в борьбе с топ очны м и ды м ам и и п роизводстве нны м и п ы л ям и в ф ил ьтрах К оттре л я, п ри нане се нии п окры тий на п ове рхности сл ожны х конф игу рац ий, нап рим е р, гру нтовки ку зовов автом обил е й. В м е диц ине п рим е няю тэл е ктроф оре з как м е тод вве де ния л е карстве нны х п ре п аратов в организм че л ове ка. С у щ е ству ю тдва м е тода оп ре де л е ния скоростиэл е ктроф оре за. 1. М е тод м и к р оэл ек тр оф ор еза закл ю чае тся в не п осре дстве нном оп ре де л е ниискоростидвиже ния частиц ы с п ом ощ ью у л ьтрам икроскоп а. 2. М е тод м ак р оэл ек тр оф ор еза (ил и м е тод п е ре двигаю щ е йся границ ы ). О н закл ю чае тся в сл е ду ю щ е м : зол ь нал иваю тв U-образну ю тру бку (в нижню ю е е часть), све рху на не го насл аиваю тсл абы й раствор эл е ктрол ита (бокову ю жидкость). В не е п огру жаю т эл е ктроды и изм е ряю т скорость п е ре м е щ е ния границ ы м е жду зол е м и боковой жидкостью . В одном кол е не границ а п одним ае тся (частиц ы п е ре ходятв бокову ю жидкость), в дру гом – оп у скае тся (частиц ы движу тся в гл у бь зол я). К боковой жидкостип ре дъ явл яю тся сл е ду ю щ ие тре бования. 1. О на не дол жна вы зы вать коагу л яц ию зол я. 2.П осоставу (ионной сил е ) дол жна бы ть бл изка к м е жм иц е л л ярной жидкости. И наче п рип е ре ходе частиц в бокову ю жидкость бу де тм е няться тол щ ина диф ф у зной частиД Э С и, сл е довате л ьно, ζ-п оте нц иал . 3.Э л е ктроп роводность боковой жидкости дол жна бы ть равна (ил и чу ть бол ьш е ) эл е ктроп роводности зол я. Э тоне обходим одл я того, чтобы нап ряже нность вне ш не го п ол я Н бы л а одинакова в зол е и боковой жид-
24 кости, чтосп особству е тп ол у че нию бол е е ре зкой границ ы разде л а м е жду ним и. Э к сп ер и м ен тал ьн ая ч асть 1. М е тодика оп ре де л е ния скоростиэл е ктроф оре за. Р абота вы п ол няе тся с п ом ощ ью п рибора Чайковского дл я м акроэл е ктроф оре за (рис. 3). П рибор состоитиз тру бки 1 с дву м я граду ированны м икол е нам и, в которы е вставл яю тагаровы е сиф оны , сое диняю щ ие п рибор с источником тока че ре з контактну ю жидкость (раствор су л ьф ата м е ди). В сре дню ю тру бку 2 вставл яе тся на п робке п ип е тка 3 с иссл е ду е м ы м зол е м , кончик п ип е ткине доходитдодна на 1 - 2 м м . В тру бку (бе з п ип е тки) нал иваю тV м л боковой жидкости (п рим е рно до се ре дины вы соты нижне й части, ре ком е нду е м ое значе ние V у казано на п ане л и п рибора). Закре п л яю т тру бку в ш тативе . В боковы е кол е на п ом е щ аю т короткие конц ы агаровы х сиф онов, дл инны е конц ы п огру жаю тв раствор CuSO 4. И ссл е ду е м ы й зол ь засасы ваю тс п ом ощ ью гру ш ив п ип е тку 3 п рим е рно до се ре дины вы соты ш арика, п е ре кры ваю т кран. Зол ь дол же н бы ть бе з п у зы рьков возду ха п овсе й вы соте стол ба, вкл ю чая п росве ткрана. П ип е тку вставл яю тв сре дню ю часть яче йки 2. М е дл е нно и осторожнооткры ваю ткран п ип е тки. П риэтом зол ь дол же н м е дл е нновы те снять бокову ю жидкость в граду ированны е кол е на, образу я ре зку ю границ у разде л а с зол е м . К огда границ а дойде т п рим е рно до се ре дины боковы х тру бок, кран закры ваю т. П риэтом конц ы сиф онов дол жны бы ть п огру же ны в бокову ю жидкость. Е сл и границ ы п ол у чил ись разм ы ты м и, зап ол не ние п рибора не обходим оп овторить. П ош кал е отм е чаю тначал ьное п ол оже ние границ ы разде л а (вы бираю тодну из границ , бол е е че тку ю ). П одкл ю чаю т п рибор к источнику п остоянного стабил изированного нап ряже ния 100-120 В . В ы кл ю чате л е м , расп ол оже нны м на п ане л ип рибора, п одаю тнап ряже ние на эл е ктроды и одновре м е нно вкл ю чаю тсе ку ндом е р. О п ре де л яю твре м я, в те че ние которого границ а разде л а п е ре м е щ ае тся на оп ре де л е нное числ оде л е ний (обы чно2...5 де л е ний в зависим остиотскоростидвиже ния границ ы ). Зап исы ваю тп оказания ам п е рм е тра, изм е ряю щ е госил у тока в яче йке . О кончив изм е ре ния, вы кл ю чаю т п рибор, сним аю т эл е ктроф оре тиче ку ю
25 тру бку , вы л иваю т соде ржим ое , п ром ы ваю т дистил л ированной водой и закре п л яю тв п ре жне м п ол оже нии. Агаровы е сиф оны п ом е щ аю тв скл янку дл я исп ол ьзованны х сиф онов. О бъек ты и ссл ед ован и я Д л я изу че ния эл е ктроф оре за у добноисп ол ьзовать гидрозол ь се ры и зол ь гидроксида же л е за. Ги д р озол ь сер ы . П ри окисл е нии се роводорода кисл ородом возду ха ил иоксидом се ры (1У ) се ра вы п адае тв кол л оидном состоянии: 2H 2 S + SO 2 = 3S + 2H 2 O П рактиче скинаибол е е у добноп ол у чать зол ь сер ы из раствора тиосу л ьф ата натрия, де йству я на не госе рной кисл отой: Na 2 S 2O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + SO 2 + S + H 2 O Зол ь г и д р ок си д а ж ел еза (III) п ре дставл яе тсобой дисп е рсию не растворим ого в воде основания Fe (OH) 3, т.е . взве сь у л ьтрам икроскоп иче ских частиц гидроксида в воде . Зол ь п ол у чаю тм е тодом гидрол иза хл орида же л е за (III) п рип овы ш е нной те м п е рату ре (кип яче нии): FeCl 3 + 3H 2O ↔ Fe(OH) 3 ↓ + 3HCl Н е растворим ы й гидроксид же л е за (III) вы де л яе тся в виде у л ьтрам икроскоп иче ских частиц , образу я кол л оидны й раствор. Н а п ове рхности частиц адсорбиру ю тся ионы Fe(OH) 2 + (точне е FeO + ) - п оте нц иал оп ре де л яю щ ие ионы , которы е сообщ аю тчастиц ам п ол ожите л ьны й заряд. В каче стве п ротивоионов сл у жатионы Cl . Е сл и в раствор вве сти избы ток щ е л очи, п ове рхность частиц заряжае тся отриц ате л ьноза сче тадсорбц ииионов О Н . Вы п ол н ен и е р аботы В ариантI. О п р ед ел ен и е ζ-п отен ци ал аги д р озол я сер ы 50 г. кристал л иче скоготиосу л ьф ата натрия Na 2 S 2 O 3 ⋅ 5 H 2 O растворяю тв 30 м л воды . В стакан на 300 м л п рибавл яю т38 м л конц е нтрированной се рной кисл оты (ρ = 1,84 г/см 3). С такан п огру жаю тв м е л коистол че нны й л е д, тщ ате л ьноп е ре м е ш иваю ткисл оту им е дл е нноп рил иваю т к не й из кап е л ьной воронкип риготовл е нны й раствор тиосу л ьф ата натрия (работать п од тягой!). В ре зу л ьтате ре акц ииобразу е тся гу стая м асса бл е дно-же л тогоц ве та. К не й п рибавл яю т100 м л воды инагре ваю тна кип ящ е й водяной бане , изре дка п ом е ш ивая, в те че ние 30-60 м ин. П осл е охл ажде ния п ол у че нны й м ол очно-бе л ы й зол ь се ры отф ил ьтровы ваю тче ре з стекл янну ю вату . Зол ь се ры соде ржитзначител ьны й избы ток эл е ктрол итов, гл авны м образом се рной кисл оты ису л ьф ата натрия. Д л я у дал е ния п осл е дних зол ь сразу же п одве ргаю тп ол ной коагу л яц иип у тем п рибавл е ния к не м у не бол ьш огокол иче ства насы щ е нногораствора чистогохл орида натрия. П ол у че нны й осадок п осл е п ол ногоотстаивания отде л яю тот
26 жидкости, отжим ая м е жду л истам иф ил ьтровал ьной бу м агиип е п тизиру ю те гов дистил л ированной воде . Н е растворивш у ю ся в воде часть отде л яю тсл ивание м зол я в дру гой стакан. П ол у че нны й таким образом кол л оидны й раствор се ры обл адае твы сокой сте п е нью дисп е рсностииисп ол ьзу е тся дл я оп ре де л е ния ζ-п оте нц иал а. О п ре де л яю тскорость эл е ктроф оре за гидрозол я се ры , а также зол я, соде ржащ е гооп ре де л е нное кол иче ствоэл е ктрол ита (NaCl). В п е рвом сл у чае в каче стве боковой жидкостиисп ол ьзу ю траствор H 2SO 4 с таким же значе ние м эл е ктроп роводности, как в исп ы ту е м ом зол е ; вовтором – раствор эл е ктрол ита той же конц е нтрац ии, чтоив зол е . В этом сл у чае эл е ктроп роводность зол я ибоковой жидкостиобы чнобы ваю тп рактиче скиодинаковы м и. В м е рну ю кол бу на 50 м л вносятп ип е ткой 5 м л исходногозол я и доводятдом е ткидистил л ированной водой. С п ом ощ ью конду ктом е тра О К -102 ил и N-5721 изм е ряю ти зап исы ваю ту де л ьну ю эл е ктроп роводность χ п ол у че нногообразц а зол я. Д л я п риготовл е ния боковой жидкости вносятм е рны м ц ил индром в изм е рите л ьну ю яче йку конду ктом е тра 50 м л дистил л ированной воды , добавл яю тк не й п о кап л ям п ри п е ре м е ш ивании 3%-й раствор H 2 SO 4 , доводя эл е ктроп роводность до значе ния, п ол у че нного дл я зол я се ры (ил и чу ть вы ш е ). Зап ол няю т п риготовл е нны м раствором и зол е м эл е ктроф оре тиче ску ю яче йку и п роводятэл е ктроф оре з, как оп исано вы ш е . О п ре де л яю т вре м я (τ) п рохожде ния границ е й разде л а оп ре де л е нного числ а де л е ний (n). О п ре де л е ние п роводятне м е не е тре х раз. Зап исы ваю т п ол у че нны е данны е . Д л я изм е ре ний в п рису тствии эл е ктрол ита в м е рну ю кол бу на 50 м л вносят граду ированной п ип е ткой оп ре де л е нны й объ е м 0,5 М раствора NaCl, рассчитанны й исходя из тре бу е м ой конц е нтрац ии эл е ктрол ита в зол е (е е у казы вае тп ре п одавател ь). Затем добавл яю тв кол бу дистил л ированной воды ∼ 3/4 объ е м а, вносят5 м л исходногозол я идоводятдом е тки дистил л ированной водой. П осл е добавл е ния каждого ком п оне нта соде ржим ое кол бы п е ре м е ш иваю т. (Р азбавл е ние раствора NaCl п е ре д добавл е ние м зол я не обходим о, чтобы п ре дотвратить е гокоагу л яц ию .) И зм е ряю ти зап исы ваю ту де л ьну ю эл е ктроп роводность χ `1 п ол у че нногообразц а. Д л я п риготовл е ния боковой жидкости в дру гу ю кол бу на 50 м л вносяттотже объ е м 0,5 М раствора NaCl, доводятдом е тки, изм е ряю тэл е ктроп роводность. Е сл иχ 1 `<< χ 1 ,топ окап л ям п рибавл яю т3%-й раствор H 2SO 4, доводя эл е ктроп роводность доχ 1 . Зап ол няю тп рибор ип роводятоп ре де л е ние τ не м е не е тре х раз.
27 В ариант2. О п р ед ел ен и е ζ - п отен ци ал азол я ги д р ок си д а ж ел еза-111 Зол ь синте зиру ю т м е тодом гидрол иза хл орида же л е за (111). К 50 м л кип ящ е й воды м е дл е нно п рил иваю т 5 м л 4%-го раствора FeCl 3 . П осл е вве де ния сол и кип яче ние п родол жаю те щ е 2-3 м ину ты . Р аствор п риобре тае ткоричне во-красны й ц ве т. П ол у че нны й зол ь охл аждаю т доком натной те м п е рату ры . О п ре де л яю т скорость эл е ктроф оре за исходного зол я, а также зол я, соде ржащ е гооп ре де л е нное кол иче ствоэл е ктрол ита (NaCl), которое у казы вае тп ре п одавател ь. В п е рвом сл у чае в каче стве боковой жидкости исп ол ьзу ю т раствор сол яной кисл оты с таким же значе ние м эл е ктроп роводности, как и у иссл е ду е м ого зол я, во втором - раствор NaCl той же конц е нтрац ии, чтоив зол е . В начал е п роводят оп ы т в отсу тствие п осторонне го эл е ктрол ита. 25 м л исходногозол я вносятп ип е ткой в м е рну ю кол бу е м костью 50 м л идоводятдо м е тки дистил л ированной водой. С п ом ощ ью конду ктом е тра О К 102 ил и N-5721 изм е ряю ту де л ьну ю эл е ктроп роводность χ п ол у че нного образц а. Д л я п риготовл е ния боковой жидкости вносятм е рны м ц ил индром 50 м л дистил л ированной воды в изм е рите л ьну ю яче йку конду ктом е тра, добавл яю тп окап л ям п ри п е ре м е ш ивании0,1 М раствор HС l, доводя эл е ктроп роводность дозначе ния, найде нногодл я зол я (ил ичу ть вы ш е ). Зап ол няю т эл е ктроф оре тиче ску ю яче йку и п роводят эл е ктроф оре з (как оп исано вы ш е ), оп ре де л яя вре м я (τ) п рохожде ния границ е й разде л а оп ре де л е нногочисл а де л е ний (n). О п ре де л е ние τ п роводятне м е не е тре х раз. Зап исы ваю тп ол у че нны е данны е . Д л я изм е ре ния в п рису тствии эл е ктрол ита в м е рну ю кол бу на 25 м л вносят граду ированной п ип е ткой оп ре де л е нны й объ е м 0,5 М раствора NaCl, рассчитанны й исходя из тре бу е м ой конц е нтрац иисол ив 50 м л зол я (п оу казанию п ре п одавате л я), доводятдом е ткидистил л ированной водой и п е ре л иваю траствор в м е рну ю кол бу на 50 м л . О п ол аскиваю ткол бу на 25 м л не бол ьш им кол иче ством исходного зол я и п е ре л иваю те го в м е рну ю кол бу с раствором NaCl. Д оводятв п осл е дне й у рове нь жидкости до м е ткиисходны м зол е м , п е ре м е ш иваю т. И зм е ряю ти зап исы ваю ту де л ьну ю эл е ктроп роводность χ 1 п ол у че нногообразц а. Д л я п риготовл е ния боковой жидкости в дру гу ю м е рну ю кол бу на 50 м л вносяттотже объ е м 0,5 М раствора NaCl, доводятдом е тки дистил л ированной водой. И зм е ряю тэл е ктроп роводность χ 1 `. Е сл и χ 1 `< χ 1, топ окап л ям п рибавл яю т0,1 М раствор HС l, доводя эл е ктроп роводность доχ 1 (ил ичу ть вы ш е ). Зап ол няю тп рибор и п роводятизм е ре ние τ не м е не е тре х раз, зап исы ваю тре зу л ьтаты . П оокончанииоп ы тов разбираю тип ром ы ваю тп рибор.
28 О бр аботк ар езул ьтатов Р асче т ζ-п оте нц иал а в каждом сл у чае п роводят п о у равне нию Г е л ьм гол ьц а-С м ол у ховского(3) бе з у че та эф ф е кта эл е ктроф оре тиче скоготорм оже ния. Р ассчиты ваю тсре дню ю скорость движе ния границ ы (в м /с) с у че том того, чтоц е на одногоде л е ния эл е ктроф оре тиче ской тру бки1 м м . В е л ичину нап ряже нности вне ш не го п ол я Н рассчиты ваю т п о сил е тока J в яче йке , исходя из сл е ду ю щ их соображе ний. С оп ротивл е ние стол ба жидкости R в эл е ктроф оре тиче ской яче йке п рям о п роп орц ионал ьно дл ине стол ба L и обратно п роп орц ионал ьно п л ощ адивну тре нне госе че ния тру бкиS:
R=
L , χS
где χ - у де л ьная эл е ктроп роводность жидкости , О м -1 м -1 ил и С м ⋅ м -1 (С м - сим е нс - е диниц а изм е ре ния эл е ктриче ской п роводим ости: С м =1/О м ). Г радие нтп оте нц иал а оп ре де л яе тся вы раже ние м Н = Е /L (Е - п рил оже нное нап ряже ние , В ). I IL , отсю да H = . С огл аснозакону О м а, E = IR = χS χS В каче стве значе ний вязкостииотносите л ьной диэл е ктриче ской п рониц ае м остисре ды п риним аю тзначе ния этих ве л ичин дл я воды : η = 1· 10 -3 П а·с; ε = 81. В е л ичина ε 0 = 8,85 10 -12 Ф /м . Э ксп е рим е нтал ьны е ирасче тны е данны е сводятв табл иц у : Зол ь................ Э л е ктрол ит................ К онц е нтрац ия ............. С ил а П у ть,м В ре м я, с С корость χ , ζ,В тока, U, С м /м А М /с τ1 τ 2 τ 3 τ cр
К он тр ол ьн ы е воп р осы и уп р аж н ен и я 1. Н азовите возм ожны е п ричины возникнове ния эл е ктриче ского заряда и Д Э С на м е жф азной п ове рхности. О бъ ясните м е ханизм образования Д Э С на п ове рхностичастиц (в водной сре де ): а) Fe(OH) 3; б) кре м не зе м а; в) л ате кса п ол истирол а (эм у л ьгатор - л ау раткал ия). 2. Н ап иш ите ф орм у л ы м иц е л л гидрозол е й у казанны х вы ш е ве щ е ств. 3. И зобразите схе м атиче ски строе ние Д Э С с у че том нал ичия адсорбц ионного(Ш те рна) и диф ф у зного(Г у и) сл ое в п ротивоионов. К акие сил ы
29 оп ре де л яю тстрое ние Д Э С и расп ре де л е ние ионов у м е жф азной п ове рхности? 4. К ак изм е няе тся п оте нц иал Д Э С с расстояние м от п ове рхности? Н ап иш ите соотве тству ю щ ие у равне ния дл я п л оского(адсорбц ионного) и диф ф у зногосл ое в п ротивоионов. 5. Чтоп оним аю тп од эф ф е ктивной тол щ иной диф ф у зной частиД Э С ? О ткаких ф акторов икак она зависит? 6. Чтотакое эл е ктрокине тиче ский п оте нц иал ? К ак и откаких ф акторов он зависит? К ак изм е нится ζ -п отенц иал отриц ате л ьнозаряже нного зол я п ри вве де нии в не гохл оридов Na, Ba, La, а также гал оге нидов кал ия (KCl, KBr, KJ)? 7. П рикаких у сл овиях сп раве дл ивоу равне ние Г е л ьм гол ьц аС м ол у ховского? У равне ние Г ю кке л я? 8. В че м закл ю чае тся эф ф е кт эл е ктроф оре тиче ского торм оже ния? К ак вве стип оп равку на этотэф ф е ктп рирасче тах ζ-п оте нц иал а ? 9. К аким у сл овиям дол жна у довл е творять боковая жидкость в оп ы тах п оэл е ктроф оре зу ? 10. П е ре числ ите эл е ктрокине тиче ские явл е ния. К аковы их п рактиче ские п рил оже ния в п очвове де нии, в технике ?
Р абота3. О П Р Е ДЕ Л Е Н И Е П О Р О ГА БЫ С ТР О Й К О АГУ Л Я Ц И И ЗО Л Я Л иоф обны е кол л оидны е (у л ьтрам икроге тероге нны е ) систе м ы явл яю тся те рм одинам иче ски не у стойчивы м и и не равнове сны м и, т.к. всл е дствие нал ичия вы сокоразвитой п ове рхности разде л а ф аз обл адаю тогром ны м зап асом свободной п ове рхностной эне ргии. У м е ньш е ние этой эне ргии п роисходитв п роц е ссах сл ип ания (агр егаци и ) частиц п ри стол кнове ниях, т.к. образование агре гатов снижае тсу м м арну ю п л ощ адь м е жф азной п ове рхности. Э тот п роц е сс назы вае тся к оагул я ци ей , он явл яе тся те рм одинам иче ски вы годны м и сам оп роизвол ьны м . В озникнове нию коагу л яц иип ре п ятству ю тне которы е ф акторы (ф акторы у стойчивости), обу сл авл иваю щ ие п оявл е ние сил оттал кивания п ри стол кнове нии частиц , п ре п ятству ю щ их их сл ип анию . Г л авны е из этих ф акторов: 1) и он н о-эл ек тр остати ч еск и й - нал ичие диф ф у зны х двойны х эл е ктриче ских сл ое в частиц , взаим ное п е ре кры вание которы х вы зы вае тсил ы оттал кивания эл е ктростатиче ской п рироды ; 2) сол ьватаци он н ы й ф актор - нал ичие сол ьватной (гидратной) обол очки на п ове рхности частиц ; 3) стр ук тур н о-м ехан и ч еск и й ф актор, которы й де йству е т, е сл и на частиц ах им е ю тся п ол им ол е ку л ярны е адсорбц ионны е сл ои (обы чно - м ол е ку л п ол им е ров ил и кол л оидны х, т.е . м иц е л л ообразу ю щ их п ове рхностно-активны х ве щ е ств). Т акие сл ои(сол ьватированны е дисп е рсионной сре дой) п ре дставл яю тсобой п ове рхностны е студ н и ил и гел и - тел а, п роявл яю щ ие тве рдообразны е свойства. П осл е дние два ф ак-
30 тора явл яю тся н еэл ек тр остати ч еск и м и , их защ итное де йствие обу сл овл е ном е ханиче ской п рочностью сол ьватны х сл ое в и сту дне -(ге л е -) образны х адсорбц ионны х сл ое в. Д е йствие этих (идру гих) ф акторов обе сп е чивае тдл ите л ьное су щ е ствование кол л оидны х систе м бе з изм е не ния их свойств, т.е . у стойчивость. Н ал ичие и относител ьная рол ь каждогоиз ф акторов у стойчивости оп ре де л яе тся гл авны м образом п риродой и конц е нтрац ие й стабил изатора в систе м е , п риродой дисп е рсной ф азы и дисп е рсионной сре ды . Р азл ичаю т два вида у стойчивости. С п особность систе м ы сохранять во вре м е ни п остоянну ю степ е нь дисп е рсности (у стойчивость к агре гац ии частиц ) назы вае тся агр ег ати вн ой у стойчивостью (АУ ). О т АУ сл е ду е т отл ичать сед и м ен таци он н ую у стойчивость - сп особность дисп е рсной систе м ы сохранять равном е рное расп ре де л е ние частиц п ообъ е м у дисп е рсной сре ды (у стойчивость к осажде нию частиц п од де йствие м сил ы тяже сти). Д е йствие защ итны х ф акторов м оже тбы ть снято ил и осл абл е но разл ичны м и возде йствиям и, нап рим е р, вве де ние м эл е ктрол итов (в этом сл у чае п роисходит сжатие диф ф у зны х ионны х атм осф е р вокру г частиц , у м е ньш е ние гидратац ии их п ове рхности и дру гие явл е ния). В ре зу л ьтате у м е ньш аю тся сил ы оттал кивания, возникаю щ ие п ри сбл иже нии частиц и п е ре кры вании их защ итны х сл ое в, и становится возм ожны м сл ип ание частиц с образование м все бол е е у кру п няю щ ихся агре гатов ( коагу л яц ия). С корость коагу л яц ии зависит от интенсивности коагу л иру ю щ е го возде йствия (нап рим е р, конц е нтрац ии эл е ктрол ита, заряда коагу л иру ю щ их ионов и п р.).Т ип ичная зависим ость начал ьной скорости коагу л яц ии V 0 отконц е нтрац ии эл е ктрол ита-коагу л янта п ре дставл е на на рис.1. (В е л ичина начал ьной скоростикоагу л яц ииоп ре де л яе тся вы раже ние м : V 0 = - (d γ /dt ) t→0 , где γ - числ очастиц к м ом е нту вре м е ниt .) В начал е с у ве л иче ние м конц е нтрац ии скорость коагу л яц ии расте т (м ед л ен н ая коагу л яц ия), зате м скорость п е ре стае тзависе ть отконц е нтрац ииэл е ктрол ита (бы стр ая коагу л яц ия ). К онц е нтрац ия эл е ктрол ита С к , п ри которой п роисходит п е ре ход от м е дл е нной к бы строй коагу л яц ии, назы вае тся п ор огом бы стр ой к оагул я ци и (П Б К ). В е л ичина П Б К явл яе тся ф изиче ски обоснованной м е рой агре гативной у стойчивостизол я.
31 Р ис.1 Т е ория коагу л яц ии л иоф обны х зол е й эл е ктрол итам и развита в работах Д е рягина, Л андау , Ф е рве я и О ве рбе ка (те ория Д Л Ф О ). С огл асноте ории Д Л Ф О , п ри сбл иже нии частиц ионно-стабил изированны х зол е й возникаю т сил ы оттал кивания эл е ктростатиче ской п рироды и ван-де рвал ьсовы (м е жм ол е ку л ярны е ) сил ы п ритяже ния, бал анс которы х оп ре де л яе тсу м м арну ю п оте нц иал ьну ю эне ргию взаим оде йствия частиц U . Т е ория дае тсл е ду ю щ е е у равне ние зависим ости U отрасстояния м е жду частиц ам и h: U= U от т . + U пр
=
A ∗ 64cR Tγ 2 · e - χh 12πh χ
2
,
(1)
где п е рвое и второе сл агае м ое п ре дставл яю т собой соотве тстве нно п оте нц иал ьну ю эне ргию эл е ктростатиче ского оттал кивания (U от т ) и п оте нц иал ьну ю эне ргию м е жм ол е ку л ярного п ритяже ния частиц (U пр ); сконц е нтрац ия эл е ктрол ита; χ - обратная ве л ичина тол щ ины диф ф у зного Д Э С ; γ - п арам е тр, зависящ ий отп оте нц иал а частиц ; А * - к он стан та Гам ак ер а, у читы ваю щ ая п рироду взаим оде йству ю щ их частиц . У равне ние (1) сп раве дл иводл я сл у чая, когда тол щ ина Д Э С значите л ьном е ньш е радиу са частиц , т.е . п ове рхность м оже трассм атриваться как п л оская. Н а рис.2 п ре дставл е на зависим ость U от т , U пр и су м м арной п оте нц иал ьной эне ргии U от расстояния м е жду частиц ам и. М ожно виде ть, что эне ргии оттал кивания и п ритяже ния ре зкорасту т п ри сбл иже нии частиц , а су м м арная п оте нц иал ьная эне ргия п ри не котором расстоянии м е жду частиц ам и п роходит че ре з м аксим у м (U max ) в п ол ожител ьной обл асти. В е л ичина U max п ре дставл яе т собой п отен ци ал ьн ы й бар ьер оттал к и ван и я , которы й характе ризу е тагре гативну ю у стойчивость зол я. П ри у ве л иче нии конц е нтрац ии эл е ктрол ита сил ы эл е ктростатиче ского оттал кивания у м е ньш аю тся всл е дствие сжатия диф ф у зны х Д Э С частиц , ип отенц иал ьны й барье р оттал кивания U max снижае тся ( рис.3). К ривая 1 характе ризу е тагре гативно у стойчивы й зол ь: п отенц иал ьны й барье р оттал кивания достаточно вы сок, так что кине тиче ской эне ргии частиц п ри их стол кнове ниях не достаточно дл я е го п ре одол е ния, коагу л яц ия отсу тству е т (точка с1 , см . рис.1).
32 К ривы е 2 и 3 (точки с2 и с3 , см .рис.1) отве чаю тсл у чаю , когда конц е нтрац ия эл е ктрол ита п ре вы ш ае тне которое п ороговое значе ние (п ор ог к оагул я ци и (П К ), см . рис.1), п ри котором U max снижае тся настол ько, что становится возм ожной коагу л яц ия, но не все стол кнове ния частиц эф ф е ктивны (т.е . п риводятк сл ип анию ), т.к. остаточны й п оте нц иал ьны й барье р U max>0 и не все частиц ы ( а л иш ь наибол е е “горячие ” ) м огу те го п ре одол е ть. П ом е ре п овы ш е ния конц е нтрац ии эл е ктрол ита U max снижае тся, дол я эф ф е ктивны х соу даре ний растетискорость коагу л яц ииу ве л ичивае тся (м е дл е нная коагу л яц ия). К ривая 4 отве чае т насту п л е нию бы строй коагу л яц ии: п ри с=П Б К U max=0, п ри л ю бы х расстояниях п ре обл адаю т сил ы п ритяже ния. В се стол кнове ния становятся эф ф е ктивны м и, скорость коагу л яц ии достигае т п ре де л ьногоип остоянногозначе ния ( точка с4 , см .рис.1 ). Т аким образом , у сл овия насту п л е ния бы строй коагу л яц ии: U = 0; dU/ dh =0 ( у сл овие м аксим у м а ). (2) И з у равне ния (1) и у сл овий (2) теория Д Л Ф О п риводитк соотнош е нию : const c= ил и cz 6 = const , (3) 6 z где с - п орог бы строй коагу л яц ии; z - заряд коагу л иру ю щ е гоиона. С оотнош е ние (3) п оказы вае т, что п орог бы строй коагу л яц ии у м е ньш ае тся обратно п роп орц ионал ьно ш е стой сте п е ни заряда ионакоагу л янта. Д ру гим и сл овам и, коагу л иру ю щ ая сп особность ионов оче нь ре зко возрастае тс у ве л иче ние м их заряда (эта законом е рность бы л а изве стна ране е как эм п ириче ское п равил оШ у л ьц е -Г арди). Т ак, этоявл е ние п роявл яе тся п ри гип совании сол онц е ваты х п очв (т.е . п ри зам е не ионов натрия на ионы кал ьц ия) и изве стковании кисл ы х п очв (т.е . зам е не ионов водорода ионам и кал ьц ия). К ол л оиды п очв образу ю т п ри этом свое образну ю м икростру кту ру . П очва становится вл агоп рониц ае м ой, у ве л ичивае тся п рочность е е стру кту ры . Д л я одно-, дву х- итре хзарядны х ионов из вы раже ния (3) сл е ду е т: П Б К 1 : П Б К 11 : П Б К
111
=
1 1 1 : : = 64 : 1 : 0,09. 16 26 36
П ол у че нное соотнош е ние хорош осогл асу е тся с эксп е рим е нтал ьны м и данны м и в сл у чае так назы вае м ой к он цен тр аци он н ой к оагул я ци и , когда у м е ньш е ние эл е ктростатиче скогоп отенц иал ьногобарье ра оттал кивания достигае тся тол ько за сче т сжатия диф ф у зны х Д Э С частиц (п ри этом их п ове рхностны й заряд и п оте нц иал остаю тся не изм е нны м и). О но не вы п ол няе тся, е сл иу стойчивость зол я обе сп е чивае тся не эл е ктростатиче ским иф акторам и. П ом им о эл е ктрол итов, коагу л яц ия гидроф обны х кол л оидов м оже т бы ть вы звана см е ш ивание м с дру гим гидроф обны м зол е м , частиц ы которого им е ю тп ротивоп ол ожны й знак заряда. Э то явл е ние (взаим ная коагу л яц ия) исп ол ьзу е тся п ри очистке п итье вой воды раствором су л ьф ата
33 ал ю м иния, которы й образу е т п ри гидрол изе кол л оидну ю гидроокись ал ю м иния, связы ваю щ у ю загрязняю щ ие кол л оидны е частиц ы . Явл е ния коагу л яц ии набл ю даю тся в п рироде п ри см е ш е нии ре чной и м орской воды . П ри этом ионы сол е й м орской воды адсорбиру ю тся на заряже нны х частиц ах гл ины ип е ска, в ре зу л ьтате че гоп роисходитих коагу л яц ия. П роду кт коагу л яц ии гидроф обны х зол е й – осадок - м ожно снова п е ре ве сти во взве ш е нное состояние п у те м обработки е го оп ре де л е нны м эл е ктрол итом . Э то явл е ние назы вае тся п е п тизац ие й и играе т бол ьш у ю рол ь в п очве нны х п роц е ссах. П очве нны е кол л оиды че рнозе м ны х п очв находятся в скоагу л ированном состоянии, п оэтом у они не скл онны к вы м ы ванию . П риобработке п очвы сол ям инатрия п роисходитих п е ре ход в зол и, которы е л е гкоп е ре ходятиз ве рхних сл ое в в нижние , в ре зу л ьтате че гоп очва становится бе сстру кту рной ите ряе тсвоиц е нны е агроном иче ские свойства. Э к сп ер и м ен тал ьн ая ч асть Ц е л ь работы : оп ре де л ить п орог бы строй коагу л яц ии синте тиче ского л атекса сол ям и с разны м зарядом коагу л иру ю щ е го иона; п рове рить вы п ол не ние п равил а cz 6 = const. Д л я оп ре де л е ния П Б К не обходим онайтизависим ость начал ьной скоростикоагу л яц ииотконц е нтрац ииэл е ктрол ита-коагу л янта. О бы чноп рим е няю тм е тод “м ину тной м у тности”, п рикотором за м е ру начал ьной скорости коагу л яц иип риним аю тве л ичину м у тностил ате кса, которая достигае тся за 1 м ин п осл е начал а коагу л яц ии ( отм ом е нта вве де ния эл е ктрол ита-коагу л янта). Ф изиче ские п ре дп осы л ки м е тода таковы . К ол л оидны е частиц ы сп особны рассе ивать п адаю щ ий на них све твсл е дствие изве стного ф изиче ского явл е ния - диф ракц ии. И нтенсивность рассе янногосве та Iр ре зко возрастае тс у ве л иче ние м разм е ра частиц . Д л я сф е риче ских не п роводящ их ток частиц с радиу сом r п оу равне нию Р эл е я Iр =I0 ·k ·
cr 3 , ρλ4
(4)
где I0 - инте нсивность п адаю щ е госве та; с - конц е нтрац ия зол я; λ - дл ина вол ны п адаю щ е госве та; ρ - п л отность частиц ; k - оп тиче ская константа. О тнош е ние Iр / I0 =τ назы ваю тм утн остью . М у тность числ е нноравна инте нсивности (сил е ) све та, рассе ивае м ого е диниц е й объ е м а систе м ы , п риинтенсивностип адаю щ е госве та, равной е диниц е . С огл асноу равне нию Р эл е я, м у тность п роп орц ионал ьна ку бу радиу са частиц . Т аким образом , п роц е сс у кру п не ния частиц (агре гатов) в коагу л иру ю щ е м зол е соп ровождае тся возрастание м м у тности во вре м е ни, чтоп озвол яе тоц е нить скорость коагу л яц ии. М е рой начал ьной скоростикоагу л яц ии(V 0) сл у житве л ичина V 0= (
dτ ) t→0. dt
34 О на п рактиче скичисл е нноравна “м ину тной м у тности” τ 1, т.к. кривы е τ - t в начал е п роц е сса л ине йны . И нтенсивность све торассе яния (м у тность) изм е ряю тс п ом ощ ью н еф ел ом етр ов. И сп ол ьзу е м ы й в работе п рибор м аркиН Ф М п озвол яе т изм е рить интенсивность све та, рассе янногоп од у гл ом 45 0 к нап равл е нию п адаю щ е гол у ча. С п ом ощ ью п рил агае м огок п рибору этал она м ожное го п рокал ибровать ирассчиты вать абсол ю тны е значе ния м у тностииссл е ду е м ой систе м ы . О п исание ип орядок работы на не ф е л ом е тре Н Ф М И нтенсивность све торассе яния в не ф е л ом е тре изм е ряе тся п у те м сравне ния дву х све товы х п отоков, один из которы х рассе ян исп ы ту е м ы м раствором , а дру гой этал онны м рассе ивате л е м (рис.4). С ве товой п оток отл ам п ы 1 разде л яе тся п ол у п розрачной п л астинкой 2 на две части, одна из которы х п оп адае тв кам е ру с дистил л ированной водой, в которой находится кю ве та 3 с зол е м , дру гая п роходитче ре з рассе ивател ь 6 (п л астинка из м ол очного сте кл а). С ве т, рассе янны й частиц ам изол я, исве т, осл абл е нны й рассе ивател е м , п ройдя объ е ктив 4 ил инзу 5, п оп адае тв ф отом е триче ский у зе л , которы й вкл ю чае тв се бя изм е рите л ьны е диаф рагм ы с отсче тны м ибарабанам и7, объ е ктивы 8, п ризм ы 9, ф оку сиру ю щ у ю л инзу 10, све тоф ил ьтр 11 и оку л яр 12. Че рная ш кал а барабана – ш кал а све топ роп у скания. Р ис.4 .С хе м а не ф е л ом е тра О на п оказы вае тдол ю п роходящ е гоче ре з диаф рагм у све та (сте п е нь раскры тия диаф рагм ы ) в п роц е нтах. В п ол е зре ния оку л яра виде н кру г, яркость п равой п ол овины е гооп ре де л яе тся интенсивностью рассе янного све та, л е вой - инте нсивностью п отока, осл абл е нногорассе ивател е м . П орядок изм е ре ний Зап ол няю т дистил л ированной водой све тову ю кам е ру п рибора до м е тки. У станавл иваю тв не е кю ве ту с иссл е ду е м ы м зол е м , исп ол ьзу я ц е н-
35 тратор (кры ш ку кам е ры из оргсте кл а с отве рстие м ). В ращ е ние м соотве тству ю щ их дисков у станавл иваю тзе л е ны й све тоф ил ьтр (№ 2) и рассе ивате л ь. В ы бор рассе ивате л я п роизводится исходя из того, что инте нсивность све та, п роходящ е гоче ре з не гои рассе ивае м огообъ е ктом , дол жны бы ть соп оставим ы . Л ате ксы относятся к сил ьнорассе иваю щ им систем ам , так что исп ол ьзу ю тнаибол е е эф ф е ктивны й рассе ивате л ь № 4 (эф ф е ктивность рассе ивате л я расте тот№ 1 к № 4). Ш ну р л ам п ы осве тител я п одкл ю чаю т к гне здам 0 и 8 на п ане л и трансф орм атора (л ам п а на 8 В ), трансф орм атор вкл ю чаю тв се ть. В Н И М АН И Е : воизбе жание п е ре горания л ам п ы вкл ю чать ивы кл ю чать е е сл е ду е ттол ьков п ол оже ниире остата “те м не е ”. Л е вы й барабан у станавл иваю тна ц иф ру 100 п о ш кал е све топ роп у скания. В ращ ая п равы й барабан, у равниваю тяркость обе их п ол овин п ол я зре ния, де л аю тотсче т. П овторяю тотсче т2-3 раза, бе ру тсре дне е (расхожде ние м е жду п арал л е л ьны м идол жнобы ть не бол е е 1 де л е ния). Е сл и м у тность объ е кта п ре вы ш ае тм у тность рассе ивате л я, топ ол ностью откры ваю т п раву ю диаф рагм у (п равы й барабан ставят на 100) и у равниваю тяркостип ол е й зре ния л е вы м барабаном . Д л я расче та м у тности п рибор кал ибру ю т, у станавл ивая вм е сто зол я этал он - п ризм у с изве стны м значе ние м м у тности. О тсче ты п роизводят п оче рной ш кал е п равогобарабана. М у тность зол я (τ, см -1) рассчиты ваю тп оф орм у л ам nпр 10 4 л ибо τ=τ э , τ=τ э· n л е вn э nэ где n nр и n л е в. - отсче тп оп равом у л ибоп ол е вом у барабану соотве тстве нно; τ э - м у тность этал онной п ризм ы ; n э - отсче тдл я п ризм ы . П рим е чание : кал ибровка п рибора п рове де на заране е , ре зу л ьтаты све де ны в табл иц у зависим ости τ отn, им е ю щ у ю ся в л аборатории. Вы п ол н ен и е р аботы П ре жде все го, сл е ду е тп одобрать разбавл е ние л атекса, не обходим ое дл я не ф е л ом е триче ских изм е ре ний. У равне ние Р эл е я сп раве дл иво дл я разбавл е нны х зол е й, когда каждая частиц а м оже т рассм атриваться как отде л ьны й рассе иваю щ ий ц е нтр и отсу тству е тявл е ние вторичного рассе яния. П оэтом у дл я не ф е л ом е триче ских изм е ре ний тре бу е тся значите л ьное разве де ние л ате кса (обы чнов 10 3 - 10 4 раз). П рие м л е м ы м обы чноявл яе тся такое разве де ние , п ри котором отсче т п ош кал е све топ роп у скания п равогобарабана не ф е л ом е тра составл яе тне бол е е 50.
36 Р е ком е нду е м ое дл я исп ы ту е м огообразц а л ате кса разве де ние исхе м а разбавл е ния у казаны на этике тке .
П рим е р. Р е ком е нду е м ое разве де ние л ате кса 1: 10 4 раз. Р азве де ние п роизводится в две сту п е нип осхе м е : 1 1 0,5 = ⋅ . 10000 100 50
В соотве тствии со схе м ой 1 м л исходного л ате кса (соде ржащ е го обы чно 20-25 м ассовы х % п ол им е ра) вносятп ип е ткой в м е рну ю кол бу е м костью 100 м л , доводятдистил л ированной водой до м е тки и п е ре м е ш иваю т. П ол у чаю т п ром е жу точное разбавл е ние 1: 100. (Э тот образе ц сохраняю тдл я п осл е ду ю щ е гоисп ол ьзования.) Д ал е е 0,5 м л л атекса п ром е жу точного разбавл е ния вносятв м е рну ю кол бу на 50 м л , доводятводой до м е тки. П ол у чаю тконе чное разбавл е ние 1: 10000 - сл або оп ал е сц иру ю щ ий раствор. И зм е ряю т м у тность п ол у че нного раствора (τ 0 ) с п ом ощ ью не ф е л ом е тра, как оп исано вы ш е . Е сл и п оказание п равого барабана бол ьш е че м 50, тоу ве л ичиваю тразбавл е ние на втором этап е ( т.е . бе ру тне 0,5 м л , а м е ньш е - добиваясь вы п ол не ния у сл овия n < 50 ). Д ал е е п роводятоп ре де л е ние “м ину тной м у тности” τ 1 п ривы бранном разбавл е нии, исп ол ьзу я растворы эл е ктрол итов NaCl, CaCl 2 , LaCl 3 ( исходная конц е нтрац ия 4; 0,2 и0,02 м ол ь/л соотве тстве нно). Р е ком е нду ю тся сл е ду ю щ ие интервал ы конц е нтрац ии эл е ктрол итов (м м ол ь/л ): NaCl -200...1200 ; CaCl 2 - 10...50; LaCl 3 - 1...5. В м е рну ю кол бу на 50 м л нал иваю тиз бю ре тки 2 м л раствора NaCl, доводятдистил л ированной водой дом е тки, п е ре м е ш иваю т. Зате м п ип е ткой бы стро вводят0,5 м л (ил и м е ньш е е кол иче ство, у становл е нное п ри п одборе разве де ния) л ате кса с разбавл е ние м 1: 100, эне ргично п е ре м е ш иваю т (одновре м е нно п у скаю т се ку ндом е р), вы л иваю т дисп е рсию в кю ве ту и у станавл иваю те е в све тову ю кам е ру не ф е л ом е тра. В се оп е рац иидол жны бы ть законче ны за 30-35 се ку нд. В ращ ая п равы й барабан (л е вы й п ре дварите л ьно дол же н бы ть у становл е н на 100), п е риодиче ски вы равниваю тм е няю щ ие ся инте нсивности окраски п ол е й зре ния и точноп оистече нии 1 м ин заве рш аю тэту п роц е ду ру . Зап исы ваю тп оказание (n) ш кал ы п равогобарабана. О п орожнив и оп ол осну в кю ве ту и кол бу , п родол жаю т изм е ре ния, вводя в кол бу п осл е довате л ьно4,6,8,10,12 м л раствора эл е ктрол ита. Н ачиная с не которой конц е нтрац ии эл е ктрол ита, у равнивание п ол е й зре ния с п ом ощ ью п равого барабана становится не возм ожны м . (П ри n = 100
37 п равая п ол овина п ол я зре ния остае тся све тл е е л е вой, т.к. сил а рассе янного све та стал а п ре вы ш ать сил у све та, п рош е дш е го че ре з рассе ивате л ь.) Т огда изм е ре ния п роводятна л е вом барабане , у становив п равы й на отм е тку 100.
Р е зу л ьтаты п ом е щ аю тв табл иц у : Э л е ктрол ит Л ате кс О бъ е м раствора эл е ктрол ита, м л
К онц е нтрац ия эл е ктрол ита, м м ол ь/л
(С
исх
=
П оказания барабана П раЛ е вы й вы й
); τ 0 =
.
М у тность τ 1 ·10 3 , см -1
П БК, м м ол ь/л
С троятграф ик зависим ости τ 1(С ). П роводятдоп ол нител ьно 2-3 изм е ре ния вбл изи п ре дп ол агае м ой точки изл ом а (чу ть вы ш е и ниже ), чтобы у точнить е е п ол оже ние ; находятзначе ние П Б К . Анал огичны м образом оп ре де л яю тП Б К п ри коагу л яц ии хл оридам и кал ьц ия ил антана. В п осл е дне м сл у чае рабочий раствор LaCl 3 с исходной конц е нтрац ие й 0,02М готовят не п осре дстве нно п е ре д у п отре бл е ние м (чтобы све сти к м иним у м у вл ияние гидрол иза сол и). Р абочий раствор готовятп у те м соотве тству ю щ е го разбавл е ния раствора LaCl 3 c конц е нтрац ие й 0,5 м ол ь/л в м е рной кол бе е м костью 100 м л . О п ре де л ив ве л ичины П Б К дл я эл е ктрол итов с разл ичны м зарядом коагу л иру ю щ е гоиона, находятих соотнош е ние , п оде л ив на П Б К 11 . С равниваю тданное соотнош е ние с п ол у че нны м те оре тиче ски. В вы водах п о работе у казы ваю твозм ожну ю п ричину откл оне ния отп равил а сz 6 = const.
38
К он тр ол ьн ы е воп р осы и уп р аж н ен и я 1. Н азовите виды у стойчивости дисп е рсны х систем ; в че м они закл ю чаю тся? 2. П о каком у п ризнаку дисп е рсны е систе м ы де л ятна л иоф обны е и л иоф ил ьны е ? К каком у кл ассу дисп е рсны х систе м сл е ду е т отне сти: 1) зол ь AgJ; 2) гидрозол ь кре м не зе м а? 3. Че м обу сл овл е на агре гативная у стойчивость л иоф обны х дисп е рсны х систем ? 4. К акой п роц е сс назы ваю ткоагу л яц ие й? Че м он заве рш ае тся? К аким исп особам ион м оже тбы ть вы зван? 5. П е ре числ ите и охарактеризу йте ф акторы агре гативной у стойчивости л иоф обны х зол е й. К акие ф акторы обе сп е чиваю тагре гативну ю у стойчивость зол ь кре м не зе м а? 6. Чтоназы ваю тбы строй им е дл е нной коагу л яц ие й? 7. О бъ ясните явл е ние м е дл е нной и бы строй коагу л яц ии, нал ичие п ороговы х конц е нтрац ий эл е ктрол ита на основе рассм отре ния п отенц иал ьны х кривы х взаим оде йствия частиц . В че м состояту сл овия насту п л е ния бы строй коагу л яц ии? 8. К акие свойства гру нтов связаны с тиксотроп ие й? С какой ц е л ью п рип рове де ниибу ровы х работисп ол ьзу ю тся гл инисты е растворы ? 9. В че м состоитп равил о Ш у л ьц е - Г арди? Г де оно исп ол ьзу е тся в зе м л е де л ииинабл ю дае тся в п рироде ?
39
Р абота4.С Е ДИ М Е Н ТАЦ И О Н Н Ы Й АН АЛ И З С У С П Е Н ЗИ Й О бл астирасп ростране ния су сп е нзий (этом икроге те роге нны е систе м ы с тве рдой дисп е рсной ф азой ижидкой дисп е рсионной сре дой) чре звы чайнош ироки. П ре жде все го, к ним относятся п очвы игру нты п ри достаточном соде ржаниивл аги, вода п риродны х ииску сстве нны х водое м ов (ре к, озе р, м оре й, оке анов, п ру дов, водохранил ищ ). В сю тве рдообразну ю п ищ у животны е , в том числ е иче л ове к, у сваиваю тв виде су сп е нзий, которы е ониначинаю тготовить у же в м ом е нтп е ре же вы вания. Л ю бая отрасл ь п ром ы ш л е нностиисе л ьскогохозяйства в той ил ииной степ е ниисп ол ьзу е тсу сп е нзии. О дной из важне йш их характеристик все х раздробл е нны х систем явл яе тся степ е нь их дисп е рсности. Д исп е рсность п орош кообразны х м ате риал ов су щ е стве нновл ияе тна их ф изико-хим иче ские свойства, такие как се дим е нтац ионная у стойчивость, ре акц ионная сп особность, стру кту рообразование . В сл е дствие этогодисп е рсность ве щ е ства им е е тне м ал оважное значе ние как дл я п риродны х явл е ний (п л одородие п очвы ), так идл я разл ичны х технол огиче ских п роц е ссов. Н ап рим е р, отразм е ра м ине рал ьны х частиц зависит каче ство ц е м е нтов, крою щ ая сп особность красок, скорость у свое ния л е карств, вл ияние на экол огию . Частиц ы ц е м е нта зап ы л яю твозду х, а значите л ьная часть их осе дае твбл изиц е м е нтны х заводов, образу я свое образны й л андш аф т. П одобны е систем ы обы чно се дим е нтац ионноне у стойчивы , но осе дание частиц п роисходитм е дл е нно. П оэтом у часто п риходится п рим е нять м е ры п рину дител ьного разру ш е ния дисп е рсны х систе м . Р азм е р частиц и ф ракц ионны й состав п орош ков м ожно оп ре де л ять разл ичны м и м е тодам и дисп е рсионного анал иза, нап рим е р, ситовы м анал изом , м икроскоп ие й, эл е ктронной м икроскоп ие й и др. С е дим е нтац ионны й анал из (л ат. sedimentum – осадок) явл яе тся одним из эф ф е ктивны х и часто исп ол ьзу е м ы х в те хнол огиче ской и нау чно-иссл е довате л ьской п рактике м е тодов оц е нки сте п е ни дисп е рсности и ф ракц ионногосостава тонкораздробл е нны х разл ичны х ве щ е ств – л е карстве нны х сре дств, п ищ е вы х п роду ктов, ру д, ц е м е нтов, м ине рал ьны х у добре ний. О н п рим е ним л иш ь дл я кине тиче скине у стойчивы х дисп е рсны х систе м , в которы х сил а тяже сти частиц п ре обл адае т над броу новским движе ние м , п оэтом у он наибол е е эф ф е ктиве н дл я систе м с разм е рам ичастиц в п ре де л ах от0,1 до 100 м км . С е дим е нтац ионны й анал из закл ю чае тся в том , чтоиссл е ду е м ы й п орош ок п е ре водятв су сп е нзию и оп ре де л яю тскорость осе дания частиц п од де йствие м сил ы тяже сти. В данной работе рассм отре н м е тод не п ре -
40 ры вноговзве ш ивания осадка. Э тотм е тод им е е тсу щ е стве нное достоинство– он п роств исп ол не нииине тре бу е тдорогостоящ е гообору дования.
П р инцип седимент а ционного а на лиза О се дание частиц су сп е нзиип роисходитп од де йствие м сил ы тяже сти F, которая с у че том п оп равкина п отерю в ве се п озакону Архим е да составл яе т: F=
4 π r3 (ρ - ρ 0 )g , 3
(1)
где r - радиу с частиц ы ; ρ иρ 0 - п л отность частиц ы исре ды соотве тстве нно; g – у скоре ние сил ы тяже сти. О се данию п ротиводе йству е тсил а тре ния F′. С огл аснозакону С токса, сил а тре ния дл я сф е риче ской частиц ы равна: F′=6π rηu , (2) где η - вязкость сре ды ; u – скорость движе ния частиц ы . В начал е частиц а движе тся у скоре нно, т.к. сил а тяже сти п ре вы ш ае т сил у тре ния, однакоп ом е ре у ве л иче ния скорости движе ния расте ти сил а тре ния, и в не которы й м ом е нтвре м е ниэтисил ы становятся равны м и, в ре зу л ьтате че го частиц а начинае тдвигаться с п остоянной скоростью . И з раве нства сил F и F′м ожноу становить связь м е жду скоростью осе дания частиц ы ие е радиу сом : r=
9ηu . 2( ρ − ρ0 ) g
(3)
О днако расче тразм е ра частиц п о у равне нию (3) возм оже н тол ько в том сл у чае , когда собл ю даю тся у сл овия п рим е не ния к изу чае м ой систе м е закона С токса. Р азм е р частиц дол же н бы ть от0,1 до100 м км , онидол жны бы ть сф е риче ским и, тве рды м и, хорош осм ачиваться жидкостью , конц е нтрац ия дисп е рсии не дол жна п ре вы ш ать 1%, отсу тствие ту рбу л е нтногодвиже ния жидкостип риосе даниичастиц (4, с.45-46). В се су щ е ству ю щ ие дисп е рсны е систе м ы м ожноп одразде л ить на м онодисп е рсны е (им е ю щ ие частиц ы одинакового разм е ра), бидисп е рсны е , тридисп е рсны е ит.д. и, наконе ц , п ол идисп е рсны е . О бы чны е су сп е нзии соде ржат частиц ы , сил ьно отл ичаю щ ие ся дру г отдру га п о ве л ичине . В задачу се дим е нтац ионного анал иза входитне тол ькоу становл е ние разм е ров сам ы х кру п ны х исам ы х м е л ких частиц , но и оп ре де л е ние п ол ногоф ракц ионногосостава дисп е рсны х систе м , п озвол яю щ е е у становить п роц е нтное соде ржание в них отде л ьны х ф ракц ий в заданны х инте рвал ах радиу сов частиц . С едимент а ция монодиспер сных суспензий
41 М онодисп е рсная су сп е нзия состоитиз одинаковы х п о разм е ру частиц . Т .к. скорость осе дания таких частиц одинакова, том онодисп е рсная су сп е нзия бу де тотстаиваться равном е рно («ту че й»). О бразу ю щ аяся п ри этом че ткая границ а разде л а су сп е нзии и осве тл ивш е йся сре ды бу де т см е щ аться на не которое расстояние Н , п роп орц ионал ьновре м е ни осе дания τ. П оэтом у граф ик осе дания м онодисп е рсной систем ы п ре дставл яе т собой п рям у ю л инию (рис.1, а ) с изл ом ом в точке , соотве тству ю щ е й вре м е ни п рохожде ния частиц ам и все й вы соты стол ба су сп е нзии Н оте е п ове рхности до чаш е чки. В этом сл у чае скорость осе дания данной су сп е нзии u м ожновы разить так: u = H/τ, а радиу с частиц r = k √H/τ (4) , где k = √ 9η/2(ρ-ρ 0 )g. И ногда вм е сто константы k исп ол ьзу е тся константа С токса – С ст . Э та константа явл яе тся коэф ф иц ие нтом п роп орц ионал ьности м е жду скоростью осе дания частиц ы и квадратом е е радиу са. В этом сл у чае у равне ние (4) п ре образу е тся в у равне ние u = С ст r 2. О че видно, чтоС ст = 1/k 2. К ривая кине тики се дим е нтац ии ре ал ьной п ол идисп е рсной систе м ы (рис. 1,в) п ре дставл яе т собой п л авну ю криву ю , бл изку ю п о ф орм е к гип е рбол е (в отл ичие от м оно, -би, тридисп е рс-ной систем ы ). Е е п ол у чаю т эксп е рим е нтал ьно. К ривая вы ражае т зависим ость м ассы осе вш их частиц отвре м е ниосе дания. К огда осажде ние е щ е не начал ось (точка О на рис.1,в), частиц ы разны х ф ракц ий расп ре де л е ны в су сп е нзии равном е рно. В п е рвы е м ину ты осе дания в систе м е п рису тству ю т все Рис.1. К ривы е кине тики се дим е нтац ии м оно (а ) и ф ракц ии и кол иче ство п ол идисп е рсной (в) систем . осаждаю щ е гося ве щ е ства за е диниц у вре м е ни dm/dτ = const , т.к. в п е рвое вре м я осе даю тчастиц ы все х разм е ров с разл ичны м и скоростям и, но п оскол ьку накоп л е ние осадка частиц л ю бого разм е ра п роп орц ионал ьно вре м е ни осажде ния, тове сь осадок довре м е ни τ min накап л ивае тся п роп орц ионал ьно вре м е ни. О сажде ние частиц кру п ны х разм е ров заканчивае тся в точке А′, и с этогом ом е нта скорость накоп л е ния осадка у м е ньш ае тся и в дал ьне йш е м п родол жае т не п ре ры вно у м е ньш аться всл е дствие
42 п ол ного осе дания все бол е е и бол е е м е л ких частиц , п рям ая п е ре ходитв криву ю . П о вре м е ни τ min м ожно рассчитать радиу с сам ы х кру п ны х частиц r max , т.к. этичастиц ы осе даю тв п е рву ю оче ре дь соскоростью u = H/τ min . Р адиу с сам ы х м е л ких частиц су сп е нзии r min м оже тбы ть оп ре де л е н п о вре м е ни τ max (точка Е ′), п осл е которогоп ривы бранной точностивзве ш ивания у же не набл ю дае тся п риве с осадка. У становив rmin иr max - п ре де л ьны е значе ния радиу сов частиц су сп е нзии, на кривой се дим е нтац ии вы бираю тряд точе к в м е стах наибол ьш е го изм е не ния кривизны . Н а рис. 9, в это точки B′, C′, D′. Т аким образом , иссл е ду е м у ю су сп е нзию разбиваю тна не скол ько ф ракц ий. Р адиу сы частиц каждой ф ракц иибу ду тл е жать в оп ре де л е нны х у зких интервал ах. Д ал е е п роводяткасате л ьну ю к кривой в одной из вы бранны х точе к. О тре зок О m 1 числ е ннораве н м ассе все х частиц , осе вш их ковре м е ни τ 1 . В е совое соде ржание q каждой ф ракц ии оп ре де л яе тся отре зком на оси ординатм е жду касате л ьны м и к соотве тству ю щ им точкам кривой се дим е нтац ии. Н ап рим е р, ве совое соде ржание q 1 наибол е е м е л кой п е рвой ф ракц ии соотве тству е тотре зку m 4 m 5 , а ве совое соде ржание q 5 частиц наибол е е кру п ной п ятой ф ракц ии- О m 1. Д л я характе ристикип ол идисп е рсны х систе м п рим е няю т интеграл ьны е идиф ф е ре нц иал ьны е ф у нкц иирасп ре де л е ния, которы е м ожноп остроить п ол ьзу ясь кривой се дим е нтац ии. И нтеграл ьная ф у нкц ия расп ре де л е ния Ф (r) п оказы вае т сум м ар н ое сод ер ж ан и е (в м ас.%) в сусп ен зи и ч асти ц д ан н ого r и бол ьш его р ад и уса. О п исы ваю щ ая эту ф у нкц ию инте грал ьная кривая (рис.2) п озвол яе т бы стро находить в данной дисп е рсной систе м е ве совое соде ржание л ю бой ф ракц ии частиц . Е сл и тре бу е тся, нап рим е р, оп ре де л ить ве совое соде ржание в систе м е частиц с радиу сом от rа до r в, то на интеграл ьной кривой находятточкис Р ис.2. И нтеграл ьная ф у нкц ия расп ре де абсц иссам и r а и r в и вы числ яю т л е ния частиц су сп е нзиип оразм е рам разность ординат (А – В ) этих точе к, которая и вы ражае тве совое соде ржание ф ракц ии. Т очка п е ре гиба инте грал ьной кривой, обы чно им е ю щ е й S-образну ю ф орм у , отве чае т наибол е е ве роятном у разм е ру частиц , соде ржащ ихся в данной дисп е рсной систе м е . Б ол е е нагл ядное п ре дставл е ние о ф ракц ионном составе су сп е нзий дае тдиф ф е ре нц иал ьная ф у нкц ия расп ре де л е ния. Д л я п острое ния диф ф е ре нц иал ьной кривой расп ре де л е ния на оси абсц исс откл ады ваю тсре дние значе ния радиу сов частиц , а на оси ординат– отнош е ние ве сового со-
43 де ржания каждой ф ракц ии к интервал у радиу сов q/∆r (рис.3). Э та кривая характе ризу е т п л отность расп ре де л е ния ве роятности п о м ассе частиц разл ичны х радиу сов. Че м у же интервал радиу сов на диф ф е ре нц иал ьной кривой расп ре де л е ния ивы ш е е е м аксим у м , те м бл иже су сп е нзия к м онодисп е рсной (см .рис.3, кривая 1); и наоборот, че м кривая бол е е растяну та и че м ниже е е м аксим у м , тем су сп е нзия бол е е п ол идисп е рсна (см .рис.3, кривая 2). М ассовая дол я в су сп е нзии частиц с радиу сом отr 1 доr 2 , т.е . ве роятность нахожде ния в су сп е нзии частиц с этим и радиу сам и, равна п л ощ ади, ограниче нной кривой, осью абсц исс и дву м я ординатам и, п рове де нны м ив точках r1 иr 2 (см .рис.3 кривая 2). И сп ол ьзу я диф ф е ре нц иал ьну ю криву ю расп ре де л е ния, м ожно не п осре дстве нно оп ре де л ить наибол е е ве роятны й радиу с частиц , соотве тству ю щ ий м аксим у м у этой ф у нкц ии, а также вы числ ить идру гие характеристики п ол идисп е рсности, нап рим е р, сре дне м ассовы й радиу с и у де л ьну ю п ове рхность су сп е нзии. Рис.3. Д иф ф е ре нц иал ьная кривая расп ре де л е ния частиц су сп е нзиип оразм е рам Э к сп ер и м ен тал ьн ая ч асть Ц е л ь работы . 1) П острое ние кривой се дим е нтац ии п ол идисп е рсной су сп е нзии м е тодом не п ре ры вноговзве ш ивания осадка. 2) О п ре де л е ние ф ракц ионногосостава и разм е ра частиц су сп е нзий на основе диф ф е ре нц иал ьной кривой расп ре де л е ния частиц п оразм е рам . Н е обходим ое обору дование : торсионны е ве сы с чаш е чкой, хим иче ский стакан е м костью 1л ., ф арф оровая сту п ка, м е ш ал ка, се ку ндом е р, л ине йка, технохим иче ские ве сы , иссл е ду е м ое ве щ е ство (п орош ки м е л а, су л ьф ата бария, каол ина, ц е м е нта), 5%-й раствор дисп е ргатора Н Ф . П одготовка обору дования иобъ е кта иссл е дования к работе В хим иче ский стакан (7) нал иваю т1 л воды , на торзионны х ве сах (рис.4) (п ре дварите л ьноу становл е нны х п оу ровню строгогоризонтал ьно) взве ш иваю т, п одве ш е нну ю на кором ы сл е ве сов (6) и оп у щ е нну ю в воду чаш е чку (8). Д л я этого п е ре м е щ аю т арре тир (1) вп раво, ру кояткой (4) у станавл иваю тстре л ку ве сов (5) в п ол оже ние , когда у казате л ь равнове сия ве сов (2) совм е стится с ну л е вой риской (3). Зап исы ваю тм ассу чаш е чкиигл у бину е е п огру же ния в воду . И з п орош ка иссл е ду е м огове щ е ства готовят0,2-0,5%-ю су сп е нзию , в не которы х сл у чаях с добавкой дисп е ргатора Н Ф (п о у казанию п ре п одава-
44 те л я). Н аве ску п ом е щ аю тв ф арф орову ю сту п ку , тщ ате л ьно растираю тс не бол ьш им кол иче ством воды , взяты м из стакана, и ту да кол иче стве нно зате м п е ре носятобразе ц дл я иссл е дований. С у сп е нзию хорош оразм е ш иваю тп осту п ате л ьны м и движе ниям и п о ве ртикал и в тече ние не скол ьких м ину тдл я равном е рного расп ре де л е ния су сп е нзии п о все м у объ е м у , п осл е че го п одве ш иваю тчаш е чку на кором ы сл о, вкл ю чаю тсе ку ндом е р и разарре тиру ю тве сы .
К ак м ожно чащ е п роводят и зап исы ваю т отсче ты м ассы чаш е чки с осадком на начал ьной стадии осе дания частиц су сп е нзии (че ре з 5-10 се ку нд). П остеп е нно инте рвал ы м е жду отсче там и у ве л ичиваю т(до 1-5 м ин), т.к. п о м е ре осе дания частиц откл оне ние стре л ки ве сов п роисходитвсе м е дл е нне е . Э ксп е рим е нт заканчиваю т, когда п осл е дние два отсче та ве са осе вш е й су сп е нзии (че ре з 10 м ину т) им е ю т п остоянное значе ние , а раствор над чаш е чкой осве тл ится. Рис.4. Т орсионны е ве сы
Р е зу л ьтаты зап исы ваю тв табл . 1. Q max = 10 3 ⋅ sHc (ρ - ρ 0)/ρ ,м г. (5) В сл у чае , е сл иQ max >Q эксп е р п ре де л ьного, п ривы боре Q водству ю тся у казаниям ип ре п одавател я.
max
ру ко-
К онц е нтрац ия дисп е рсной ф азы су сп е нзии(c), г/ м 3 ______, вы сота сл оя су сп е нзииН , м ___________, s – п л ощ адь чаш е чки, м 2 , ρ - п л отность дисп е рсной ф азы , г/м 3_____, ρ 0 - п л отность дисп е рсионной сре ды , г/ м 3 _____, м асса чаш е чкив воде , м г______, Q max осадка, м г______. Т абл иц а 1. Э ксп е рим е нтал ьны е ирасче тны е данны е дл я п острое ния кривой се дим е нтац ии В ре м я осе - М асса чаш е чки М асса осадка, О тносител ьная дания осадс осадком , м г мг м асса осадка Q,
45 ка, с
%
П ол ьзу ясь кривой се дим е нтац ии, м ожноп остроить интеграл ьну ю и диф ф е ре нц иал ьну ю кривы е расп ре де л е ния дву м я м е тодам и: граф иче ским ианал итиче ским .
О бработка ре зу л ьтатов иссл е дования (граф иче ский сп особ расче та дисп е рсионногосостава су сп е нзии) 1. П о ре зу л ьтатам табл иц ы 1 строяткриву ю се дим е нтац ии в координатах Q(%) - τ (с). П ри не обходим ости осу щ е ствл ять инте рп ол яц ию так, чтобы п ол у чил ась возм ожнобол е е п л авная кривая. 2. О п ре де л яю тм аксим ал ьны й r и м иним ал ьны й r радиу сы частиц су сп е нзии(п окривой се дим е нтац иииу равне нию (3)). 3. Н ам е чаю тчисл оф ракц ий (обы чно5-6) ирассчиты ваю тr min иr max дл я каждой из вы де л е нны х ф ракц ий. 4. В вы бранны х точках п роводят касател ьны е к кривой (с п ом ощ ью п л оскогозе ркал а) иоп ре де л яю тотносите л ьну ю м ассу каждой ф ракц ии. 5. Д л я каждой ф ракц иивы числ яю т∆r иq/∆r. П ол у че нны е ре зу л ьтаты зап исы ваю тв табл иц у 2. Т абл иц а 2 . Д исп е рсионны й состав су сп е нзии________, оп ре де л е нны й граф иче ским м е тодом r min, r max , ∆r,м к rcp ,м к q/∆r, № τ max ,с τ min,с О тн. м асса м км м км м ф ракм %/м к ф р.,% ц ии м
6. С троятдиф ф е ре нц иал ьну ю криву ю расп ре де л е ния, дл я че го на оси абсц исс откл ады ваю тсре дние значе ния радиу сов частиц все х ф ракц ий r ср, а на осиординат– значе ния q/∆r дл я каждой ф ракц ии. 7. П овиду п ол у че нной кривой расп ре де л е ния де л аю твы вод одисп е рсностииссл е ду е м ой су сп е нзии.
46
К он тр ол ьн ы е воп р осы и уп р аж н ен и я 1. П оче м у дл я изу че ния се дим е нтац иису сп е нзий разм е р частиц дол же н л е жать в обл астиот0,1 до100 м км ? 2. К акой радиу с частиц су сп е нзииназы вае тся эквивал е нтны м ? 3. К акие п ричины тре бу ю тобязател ьногоп ол ногосм ачивания частиц су сп е нзиип рип рове де ниисе дим е нтац ионногоанал иза? 5. В обл астикаких значе ний конц е нтрац ий су сп е нзий исп ол ьзу ю т се дим е нтац ионны й анал из ип оче м у ? 6. Н арису йте диф ф е ре нц иал ьну ю криву ю расп ре де л е ния частиц п оразм е рам дл я бидисп е рсной систе м ы ип окажите , как найтим ассовое соде ржание ф ракц иис бол ьш им ип оразм е ру частиц ам и. 7. К аку ю рол ь играе тдисп е рсность дл я п л одородия п очвы ?
47
Авторы : П ояркова Т атьяна Н икол ае вна, В е ре жников В иктор Н икол ае вич
Р е дактор Т ихом ирова О .А.