Міністерствоосвіти і науки України
НікопольськогоМедичного Училища
Самостійнаробота на тему:
«Колоїднірозчини»
Виготовили:
РогозаАнастасія
ЛаскінаНаталія
ОлійникСвітлана
БуткоЯна
МадайАнастасія
КисельоваВікторія
Зміст
1. Колоїди та колоїдні системи
2. Грунтові колоїдни та поглинальназдатність грунту
3. Способи одержання колоїдних розчинів
*Метод конденсації
* Медод гідролізу
* Метод замінирозчинника
* Електричник метод
* Метод очищенняколоїдних розчинів
*Метод обмінногорозкладу
4. Броунівський рух
5. Броунівський рух у математиці
6. Дифузія
7. Рівняння дифузії
8. Осмотичний тиск
1.Колоїни та колоїдні системи
Коло́їд,—речовина, що складається з дуже маленьких часток матерії (дисперсна фаза), якіприсутні в іншому матеріалі.
Розмірдисперсних часток (1-1000 нанометрів, 1 нм = 10-9м) менший, ніжчасток суспензії, але більший за молекули в справжньому розчині.
До колоїдіввідносять аерозолі (дисперсії рідини і твердої речовини в газі, наприклад димабо туман) і піни (дисперсія газу в рідині), емульсії (обидва компоненти —рідини) і золі (тверді речовини в рідині). Золі, у яких обидві фази черезтривимірну мережу молекул мають желеподібну форму, називаються гелі, прикладомможуть бути водні розчини желатину та крохмалю, а також силікатний клей.
КОЛОЇДИ,КОЛОЇДНІ СИСТЕМИ– мікрогетерогенні дисперсні системи (проміжний стан міжсправжніми розчинами й грубо-дисперсними системами), що складаються з дужеподрібнених частинок (від 1 до 1000 нм), рівномірно розподілених(розосереджених) в однорідному середовищі або фізично однорідні системи, щомістять макромолекули як один з компонентів (молекулярний колоїд). На відмінувід частинок грубодисперсних систем (суспензій, емульсій, пін тощо), розмірчастинок яких звичайно перевищує 10-4 см, колоїдні частинки берутьучасть в інтенсивному броунівському рухові і не седиментують в полі сил земноготяжіння. К.с. з газовим дисперсійним середовищем — високодисперсні аерозолі (дими,тумани), з рідким — золі, латекси, міцелярні розчини, мікроемульсії, з твердого- системи типу рубінового скла. Колоїдні системи утворюються внаслідок конденсації(при виділенні колоїдно-дисперсної фази з перенасиченої пари, розчину аборозплаву) або диспергування. Найпоширеніші в природі та техніці колоїднісистеми з рідким дисперсійним середовищем.
2.Грунтові колоїдни та поглинальна здатність грунту
О.Н.Соколовський (нафото) – батько українського грунтознавства, засновник і перший директорНауково-дослідного інституту грунтознавства та агрохімії (тепер національнийнауковий центр "Інститут грунтознавства та агрохімії ім.О.Н.Соколовського"), автор першого підручника українською мовою «Курссільськогосподарського грунтознавства» (1934) і «Сельскохозяйственноепочвоведение» (1956).
Досліджуючи складі властивості гумусу, він дійшов висновку: «яким би не був хімічний складгумусу, головна його властивість – колоїдність». Тому його підручникпочинається розділом «Колоїди грунту, їх динаміка і зв'язані з нимиявища». О.Н.Соколовський поділив гумус грунтів на двігрупи: активний і пасивний. Зразок грунту оброблявся 0,1н розчином NaCl; гумус,який перейшов після обробки до розчину, він назвав активним – ця фракція гумусуможе рухатися по профілю, покривати структурні відокремлення тоненькою плівкоютощо. Та частина гумусу, яка не переходить (не пептизується) до розчину навітьпісля дії натрію (розчину NaCl) на грунтовий зразок, називається пасивною.Останній вид гумусу має важливе значення для утворення агрономічно-цінноїструктури з розміром агрегатів від 0,25 мм до 7-10 мм. Особлива його здатність– забезпечення водостійкості структури, тобто здатності не руйнуватися під дієюдощової води. Отже, О.Н.Соколовський обгрунтував роль і значення угрунтоутворюючих процесах активного і пасивного гумусу або активних і пасивнихколоїдів у житті грунту.
3.Способи одержання колоїдних розчинів
колоїднийдифузія броунівський осмотичний тиск
Колоїднічасточки можуть мати різну внутрішню структуру, що істотно позначається наспособах утворення колоїдних розчинів і на їхніх властивостях.
Існують такі тритипи внутрішньої структури первинних часточок колоїдних розмірів. І тип— суспензоїди (або необоротні колоїди, ліофобні колоїди). Такназивають колоїдні розчини металів, їхніх оксидів, гідроксидів,сульфідів та інших солей. Первинні часточки дисперсної фази колоїдних розчинівцих речовин за своєю внутрішньою структурою не відрізняються від структуривідповідної компактної речовини і мають молекулярну або іонну кристалічнурешітку. Суспензоїди — типові гетерогенні високодисперсні системи, властивостіяких визначаються дуже сильно розвинутою міжфазовою поверхнею. Від суспензійвони відрізняються вищою дисперсністю. Суспензоїдами їх назвали тому, що, як ісуспензії, вони не можуть тривалий час існувати, коли немає стабілізаторадисперсності. Необоротними їх називають тому, що осади, які лишаються привипаковуванні таких колоїдних розчинів, не утворюють знову золю в разі контактуз дисперсійним середовищем. Ліофобними (з грецького: «ліос» — рідина,«фобіо» — ненавиджу) їх назвали, гадаючи, що особливі властивостіколоїдних розчинів цього типу зумовлені дуже слабкою взаємодією дисперсної фазиі дисперсійного середовище. Концентрація ліофобних золів невелика, звичайноменша за 0,1%'. В'язкість таких золів мало відрізняється від в'язкостідисперсійногосередовища. Ліофобні золі, як взагалі дисперсні системи,відповідно до їх проміжних положень між молекулами і великими тілами, можнадобути двома способами: диспергуванням, тобто подрібненням великих тіл, іконденсацією молекулярно- або іоннорозчинених речовин. Подрібнення за допомогоюдроблення, молоття, розтирання дає порівняно крупнодисперсні порошки (> 60мкм). Більш тонкого подрібнення досягають за допомогою спеціальних апаратів —колоїдних млинів, або застосовуючи ультразвук.
*Метод конденсації
Методконденсації полягає в утворенні нерозчинних сполук за допомогою реакцій обміну,гідролізу, відновлення, окислення. Здійснюючи ці реакції в сильно розбавленихрозчинах і з деяким надлишком одного з компонентів, дістають не осади, а колоїднірозчини. До конденсаційних методів належить також добування ліозолів задопомогою заміни розчинника. Наприклад, колоїдний розчин каніфолі можна добути,виливаючи її спиртовий розчин у воду, в якій каніфоль не розчиняється.
IIтип — асоціативні, або міцелярні, колоїди.Їх називають також напівколоїдами. Колоїдно-дисперсні часточки цього типувиникають при достатній концентрації дифільних молекул низькомолекулярнихречовин за допомогою асоціації їх в агрегати молекул — міцели — сферичної абопластинчастої форми.
/>
Схема будовиміцели гідрозолю AgI
Міцели— це скупчення правильно розміщених молекул, що утримуються переважнодисперсійними силами. Утворення міцел є характерним для водних розчинів миючихречовин (наприклад, мил — лужних солей вищих жирних кислот) і деяких органічнихбарвників з великими молекулами; в інших середовищах, наприклад в етиловомуспирті, ці речовини розчиняються з утворенням молекулярних розчинів.
Склад міцеливиражають певною формулою. Напр. склад міцели гідрозолю йодиду срібла,утвореного при взаємодії нітрату срібла в розчині з надлишком йодиду калію,виражається формулою:
/>
Дифільниминазивають молекули, які складаються з вуглеводневого радикалу, що маєспорідненість до неполярних розчинників, і гідрофільної (полярної) групи, щомає спорідненість до води. III тип — молекулярні коло їди. їх називаютьтакож оборотними, або ліофільними (від грецького «філіо» — люблю),колоїдами.
До них належатьприродні і синтетичні Високомолекулярні речовини з молекулярною масою віддесяти тисяч до кількох мільйонів1. Молекули цих речовин мають розміри колоїднихчасточок, тому такі молекули називають макромолекулами.
*Методгідроліза
Гідролізомшироко користуються при одержанні золей із солей, якщо врезультатіреакції гідроліза утворюється погано розчинна речовина.
В якості приміруприведем утворення нерозчинного гідрату окисі заліза, яке одрежуємо пригідролізі хлорного заліза рівнянням:
FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3+ 3HCl,
Fe(OH)3 + HCl =FeCl + 2H2O ,
Частковоутворююча в реакції хлор окис заліза дісоціїрує на іоні:
FeОCl = FeO +Cl,
Які забезпечуютьіоноген ний шар навкруги частин Fe(OH)3 і утримують їхврівноваженому стані.
*Методизаміни розчинника
Метод заснованийна виділення розчинної речовини із розчину в виді високодисперсної нерозчинноїфази шляхом заміни розчинника. Молекули розчинної речі. Яка знаходиться в станімолекулярної дисперсності в одному розчиннику, попадаючи в умови поганоїрозчинності при заміні розчинника починає конденсуватися в більші частинки,досягаючи розмірів коллоїдних. Цим методом можна користуватись приприготовленні золя сірки, каніфолі, мастики, фосфору і др. при вливанніспиртових розчинів цих речовин в воду.
*Електричнийметод
Метод одержанняколоїдних розчинів з допомогою електрики, рекомендований Бредігом (1898 р.),можна використати головним чином для виготовлення гідрозолей благороднихметалів. Цей метод обґрунтований на одержанні електричної дуги між електродамиствореними із диспергіруючого металу (срібла,золота та ін..) при пропусканні постійного струму. Під дією високої температурипроходить випарування матеріалу електродів в дисперсійному водному середовищі.Після пари металу конденсуються в колоїдні частинки, утворюючи відповідну золу.Процес краще проводити при охолодженні.
*Методиочистки колоїдних розчинів
Для одержанняколоїдних розчинів з найбільшою стійкістю і для вивчення їх якостей необхідновидалення із золи всяких домішок і в першу чергу остатків електролітів, які, якправило, утворюються при одержанні колоїдних розчинів.
*Метод обмінного розкладу
Цей метод заснований на взаємодії двох речовин, в результаті реакції обмінного розкладання утворюється нова трудно розчинна річ, здатна зберігатися високодисперсному стані при наявності ряду відповідних умов. Класичним приміром являється одержання зали зернистого миш’яку:
2Н2А5О3 + 3Н2S = А52S3 + 6H2O
або
BaCl2 + K2SO4 = BaSO4 + 2KCl
*Діаліз
Для очистки розчинів широко використовуються метод діаліза. Вилучення колоїдних розчинів від домішок, здатних проникати через рослинні і тваринні, штучні мембрани, називається діалізом, а прибори пристосовані для цього, одержали назву діалізаторів. Перші моделі діалізаторів представляли собою посудину, заповнену проточною водою, в якій поміщалась на глибину декількох сантиметрів внутрішня частина приладу, нагадуючи широкий зрізаний отвір, на більше вузьку частину якої натягаємо мембрану із пергаменту, коллоїда, целофану. У внутрішню частину наливається колоїдний розчин, який треба очистити. З допомогою діалізу поступово проходить видалення речовин, легко проходять черех мембрану, наприклад електролітів і других кристалоїдів. Очистка неколлоїдних розчинів таким способом протікає по мало, і тому для прискорення діаліза використовуємо електричний струм.
4 Молекулярно-кінетичні властивості колоїдних систем(броунівських рух, дифузія, осмотичний тиск)
Бро́унівський рух — невпорядкований, хаотичний рух дрібних частинок речовини в розчинах. Названий на честь ботаніка Роберта Брауна, який спостерігав[1] це явище під мікроскопом у 1827 р… Теорію броунівського руху побудував у 1905 р. Альберт Ейнштейн.Відкриття й пояснення броунівського руху мало велике значення для фізики, оскільки було свідченням теплового руху молекул. Браун 1827 року відкрив хаотичний рух спор плауна у воді.У броунівському русі вражає одна незвична для нас особливість – рух частинок не припиняється за будь-яких обставин, хоча під час дослідження його причин вживалися запобіжні заходи, які виключали можливість зовнішніх впливів на броунівські частинки. Характер їх руху не змінювався. Отже, причину руху броунівських частинок слід шукати в самій рідині.
Досліди свідчать, що інтенсивність броунівського руху тим більша, чим вища температура рідини, що ще раз підтверджує безпосередній зв’язок броунівського руху з тепловим рухом молекул. Перша кількісна теорія броунівського руху з’явилася у 1905р. Її автором був Альберт Ейнштейнн. Він записав рівняння, яке враховувало хаотичність сили, що діє на броунівську частинку, й, розв'язавши його, отримав співвідношення
/>
де (х2)- середнє значення квадрата зміщення броунівської частинки вздовж осі Х за час t, Т — абсолютна температура рідини, b — коефіцієнт пропорційності, який залежить від розмірів броунівських частинок і в’язкості рідини, а NA – універсальна фізична константа, число Авогадро.
5. Броунівський рух у математиці
У математиці броунівський рух розглядається як один із прикладів Вінерівських процесів. У фізиці він описується рівнянням Ланжевена
/>
де m — маса частки V — її швидкість, γ — коефіцієнт в'язкості, а — випадкова сила.У дуже в'язкому середовищі інерційним членом можна знехтувати й отримати для зміщення x:
Оскількисили, які діють на частинку випадкові, то в середньому вона перебуватиме намісці.
/>
Середньо-квадратичнезміщення визначається формулою
/>
Вираз/>, який потрібнопроінтегрувати, називається кореляційною функцією. Залежність кореляційноїфункції від часу визначає тип випадкового процесу. Найпростішим типом випадковогопроцесу є Марківський процес. Із загальних міркувань зрозуміло, що кореляційнафункція для випадкових процесів повинна дорівнювати нулю, якщо інтервали часу дужесильно відрізняються, оскільки випадкові сили, які діють на частинку в далекіодин від іншого моменти часу, зовсім не узгоджені між собою. Коли температури близькі,сили можуть бути узгодженими — стан рідини зберігатиметься певний час. Однакзадача про броунівський рух розв'язується особливо просто, якщо взятикореляційну функцію в найпростішому вигляді
/>
де δ(t) — дельта-функція Дірака, а α — стала, що повинна бути визначена з фізичних міркувань. З фізичної точки зору цеприпущення відповідає тому, що рідина миттєво забуває про свій стан.Підставивши кореляційну функцію в такому вигляді в формулу для середньогоквадратичного зміщення, можна провести інтегрування, отримавши підтвердженнятого, що середнє квадратичне зміщення броунівської частинки пропорційне часу.
6.Дифузія
Дифузія — одна із стадій численних технологічних процесів (адсорбції, сушки, екстрагування,брикетування зі зв’язуючими тощо). Дифузія відбувається в газах, рідинах і твердихтілах. Механізм дифузії в цих речовинах істотно різний. Дифузія що відбуваєтьсявнаслідок теплового руху атомів, молекул, — молекулярна дифузія. Дифундуватиможуть як частинки сторонніх речовин (домішок), нерівномірно розподілених усередовищі, так і частинки самої речовини середовища. У останньому випадкупроцес називається самодифузією. Термодифузія — це дифузія під дією градієнтатемператури в об'ємі тіла, бародифузія — під дією градієнта тиску або гравітаційногополя. Перенесення заряджених частинок під дією зовнішнього електричного поля — електродифузія.У рухомому середовищі може виникати конвекційна дифузія, при вихровому русігазу або рідини — турбулентна дифузія. Наслідком дифузії є переміщення частокіз областей, де їхня концентрація висока, в області, де їхня концентраціянизька, тобто вирівнювання концентрації часток у термодинамічній системі,встановлення рівноваги за складом. Дифузія дуже розповсюджене явище, якевідіграє велику роль у функціонуванні живих організмів. У легенях молекули киснюдифундують у кровоносні судини, завдяки процесам дифузії відбувається обмінречовин у клітинах. Дифузіяшироко використовуються у техніці. Наприклад, робота біполярного транзистораоснована на дифузії неосновних носіїв заряду через p-n перехід. Вибірковеперенесення певних компонентів у пори речовини — інфільтраційна дифузія.Дифузія має особливе значення в шахтах, де вона сприяє рівномірному розподілушкідливих газів в атмосфері гірн. виробок, попередженню їх небезпечнихскупчень. Суттєве значення відіграє дифузія в технологічних процесах призастосуванні реагентів.
7.Рівняння дифузії
Дляопису процесу вирівнювання концентрації часток в термодинамічній системівикористовується рівняння дифузії. В загальному випадку воно є наслідком рівняннянеперервності, яке визначає закон збереження кількості часток.
/>
де n — концентрація часток, j- їхній потік.
Якщоприпустити, що потік часток пропорційний градієнту концентрації з коефіцієнтомпропорційності D,
/>
то отримаємофеноменологічне рівняння дифузії,/>де/>-оператор Лапласа.
Це рівняннявиражає той факт, що умовою рівноваги за складом є рівність хімічногопотенціалу у всій термодинамічній системі, а вирівнювання концентрації — целише частковий випадок для однорідних систем, близьких до ідеального газу.
8.Осмотичний тиск
/>
Механізмвиникнення осмотичного тиску
Осмотичнийтиск (або дифузний тиск) — термодинамічнийпараметр, що характеризує прагнення розчину понизити свою концентрацію призіткненні з чистим розчинником внаслідок зустрічної дифузії молекул розчинниката розчиненої речовини.
Якщорозчин відділений від чистого розчинника напівпроникною мембраною, то можливалише одностороння дифузія — осмотичне всмоктування розчинника крiзь мембрану врозчин. У цьому випадку осмотичний тиск стає доступною для прямого вимірюваннявеличиною, що дорівнює надлишковому тиску, що треба прикласти з боку розчинудля вирівнювання кількості розчинника з обох боків напівпроникної мембрани приосмотичній рівновазі. Осмотичний тиск зумовлений зниженням хімічного потенціалурозчинника в присутності розчиненої речовини. Тенденція системи вирівнювати хімічніпотенціали у всіх частинах свого об'єму та переходити до стану з нижчим рівнем вільноїенергії викликає осмотичний (дифузійний) перенос речовин. Осмотичний тиск в ідеальних та сильнорозбавлених розчинах не залежить від природи розчинника та розчинених речовин;при постійній температурі він визначається тільки числом «кінетичнихелементів» — іонів, молекул, асоціатів або колоїдних часток — в одиниціоб'єму розчину.Перші виміри осмотичного тиску провів В. Пфефер у 1877 році,досліджуючи водні розчини очеретяного цукру. Його дані дозволили Я. Г.Вант-Гоффу встановити (у 1887 р.) залежність осмотичного тиску від концентраціїрозчиненої речовини, яка збiгаєтся за формою з законом Бойля-Маріотта для ідеальнихгазів. Виявилось, що осмотичний тиск чисельно дорівнює тиску, який би завдаваларозчинена речовина, якщо б вона при даній температурі знаходилось в станіідеального газу та займала об'єм, що дорівнює об'єму розчину. Для дужерозбавлених розчинів недисоціюючих речовин знайдена закономірність, що доситьточно описується рівнянням:
/>
де V- число молейречовини в розчині об'єму V; R — універсальна газова стала; Т — абсолютна температура (в Кельвінах), p — величина осмотичного тиску.
Увипадку дисоціації речовини в розчині на іони в праву частину рівняннявводиться множник і > 1, що називається коефіцієнтом Вант-Гоффа івідповідає кількості кінетично-активних елементів в розчині; при асоціаціїрозчиненої речовини і і = 3. Осмотичний тиск реальногорозчину (p') завжди менший, ніж ідеального (p"),причому відношення р' / р" = g, що називається осмотичнимкоефіцієнтом, зростає при збільшенні концентрації. Розчини з однаковимосмотичним тиском називаються ізотонічними або ізоосмотичними. Так,різноманітні кровезамісники та фізіологічні розчини ізотонічні відносносерединних рідин організму. Для всіх хребетних тварин (в тому числі і людини)ізотонічним відносно рідин їхнього організму є 0.9% розчин солі (NaCl) у воді. Якщоодин розчин порівняно з іншим має більш високий осмотичний тиск, його називаютьгіпертонічним, а якщо менший осмотичний тиск – гіпотонічним.