Классификация дисперсных систем
ЛЕКЦИЯ
по учебной дисциплине "ХИМИЯ"
для специальности 280705.65 – пожарная безопасность
"
Раздел III. ХИМИЯ РАСТВОРОВ. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ.
Тема 12: Основные дисперсные системы
Занятие № 12.1.: Основные свойства дисперсных систем
Обсуждены на ПМК (секции)
«» __________20__ г
Протокол №_____
Санкт-Петербург
I. Цели и задачи
Учебные показать многообразие дисперсных систем и их особенности их свойств; обратить особое внимание на дисперсные системы, образующиеся на пожаре и использующиеся для тушения пожаров.
Воспитательная: воспитывать у обучаемых ответственность за подготовку к практической деятельности.
II. Расчет учебного времени
| Содержание и порядок проведения занятия | Время, мин | Примечание |
| ВВОДНАЯ ЧАСТЬ | ||
| ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ | ||
| Учебные вопросы | ||
| 1. Классификация дисперсных систем и их особенности | ||
| 2. Поверхностные явления | ||
| 3. Оптические, кинетические и электрические свойства коллоидов | ||
| 4. Устойчивость дисперсных систем | ||
| ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ |
III.Литература
Основная
1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов/ Под ред. А.И. Ермакова. – изд. 30-е, исправленное-М.: Интеграл-Пресс, 2007.-728 с.
Е.Г. Коробейникова, А.П. Чуприян, В.Р. Малинин, Г.К. Ивахнюк,
Н.Ю. Кожевникова. Химия. Курс лекций. Учебное пособие по спец. 280104.65 –Пож. безопасность /Под. ред. проф. В.С. Артамонова/. СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2008. – 425 с.
Нормативно-правовые документы
1. ГОСТ 12.1.044 – 89 . Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
IV. Учебно-материальное обеспечение
1.Технические средства обучения: компьютерная техника ( РМП, П), интерактивная доска.
2. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева, демонстрационные плакаты, схемы.
V. Текст лекции
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ (3 мин.)
Преподаватель проверяет наличие слушателей (курсантов), объявляет тему, учебные цели и вопросы занятия.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ (85 мин)
Вопрос № 1. Классификация дисперсных систем и их особенности (20 мин)
Коллоидная химия изучает физико-химические свойства гетерогенных дисперсных систем, образованных из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела.
По крайней мере одна из этих фаз распределена в виде мелких частиц и называется дисперсной фазой, а другая, сплошная фаза – дисперсионной средой.
Классификация дисперсных систем
1. По величине частиц
| Тип системы | Диаметр частиц, см | Число атомов в молекуле | Характеристика |
| Грубодисперсные | > 10-2 | >109 | Видны невооруженным глазом |
| Микрогетерогенные | 10-2 – 10-5 | Видны в микроскоп | |
| Коллоидные | 10-5 – 10-7 | 103 - 109 | Видны в ультрамикроскоп |
| Ионные и молекулярные | < 10-7 | 1 - 103 |
Отметим, что система приобретает коллоидные свойства даже тогда, когда хотя бы одно из измерений находится в указанной области высокой дисперсности. К такому типу систем относятся пленки, тонкие пластины (толщиной 10-6 см), поверхностные слои на границах фаз в порах катализаторов, пенах, эмульсиях и т.п.
2. По агрегатному состоянию
| № | Дисперсионная среда | Дисперсная фаза | Обозначение системы | Тип системы | Примеры |
| 1. | Жидкость | Тв. В-во | Т/ж | Суспензии, золи | Взвесь в природных водах; золи металлов в оде; бактерии |
| 2. | Жидкость | Жидкость | Ж/ж | Эмульсии | Молоко, смазки, сырая нефть, растворы ПАВ в воде |
| 3. | Жидкость | Газ | Г/ж | Пены | Мыльная пена, взбитые белки, |
| 4. | Тв. В-во | Тв. В-во | Т/т | Твердые коллоиды | Минералы, некоторые сплавы (сталь, чугун), самоцветы |
| 5. | Тв. В-во | Жидкость | Ж/т | Гели, пористые тела, капиллярные системы | Адсорбенты, влажный грунт, некоторые минералы (жемчуг, опал) |
| 6. | Тв. В-во | Газ | Г/т | Ксерогели, пористые и капиллярные системы | Порошки, осевшая пыль, активные гули, пемза, хлеб, пенопласт, древесина, ткани, кожа, бумага |
| 7. | Газ | Тв. В-во | Т/г | Аэрозоли (пыль, дым) | Табачный дым, взвешенная пыль, космическая пыль |
| 8. | Газ | Жидкость | Ж/г | Аэрозоли (туманы) | Туман, кучевые облака, тучи, распыленная вода |
| 9. | Газ | Газ | Г/г | Системы с флуктуациями плотности | Атмосфера Земли |
Основной признак дисперсионной среды – непрерывность. Так, для пены, содержащей менее 1 % (об.) воды (остальное – воздух) дисперсионной средой является вода, т.к. по водным пленкам можно пройти из одной точки в любую другую, а по газовой фазе непрерывного пути нет. А в капиллярно-пористых телах этому условию удовлетворяют обе фазы.
А каковы же размеры частиц дисперсной фазы?
| Дисперсная фаза | Размер частиц, (1 мкм = 10-6 м = 10-4 см) (1 нм = 10-9 м = 10-7 см) |
| Грунты | |
| песчаные | > 50 мкм = 5×10-3 см |
| пылеватые | 1 – 50 мкм |
| Эритроциты крови человека | 7 мкм |
| Кишечная палочка | 3 мкм |
| Вирус гриппа | 0,1 мкм = 10-5 см |
| Муть в природных водах | 10 – 100 нм |
| Дым (древесный уголь) | 30 – 40 нм |
| Вирус ящура | 10 нм |
| Тонкие поры угля | 1-10 нм |
| Поверхность Венеры (пыль) | 0,1 – 10 мкм |
| Молекула гликогена | 10 нм |
3. По структуре различают свободнодисперсные (1, 2, 7, 8, 9) и связнодисперсные системы (4, 5, 6). Промежуточное положение занимают пены (3).
4. По межфазному взаимодействию различают лиофильные (лио – растворяю, филео – люблю, т.е. любящий растворение) и лиофобные (лио – растворяю, фобос – страх, т.е. боящийся растворения) дисперсные системы.
Для лиофильных характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, а для лиофобных – слабое.
Так, мыла, многие глины самопроизвольно "распускаются в воде".
К коллоидным системам относятся и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), состоящие из гигантских молекул, по размеру соизмеримых с коллоидными частицами.
Коллоиды широко распространены в природе (почвы, глины, дым, пыль, воздух, облака, минералы). Большое значение имеют коллоидные системы для биологии и медицины. Такие биологические жидкости как кровь, плазма, лимфа, представляют собой коллоидные системы, в которых ряд веществ, например, белки, холестерин, гликоген находятся в коллоидном состоянии.
Важнейшие пищевые продукты – хлеб, молоко, масло – коллоидные системы. От величины капелек жира зависит скорость их всасывания через стенки органов пищеварения. Именно поэтому тонко раздробленный жир сливочного масла усваивается организмом лучше, чем жир в сплошной массе, например, сало.
В медицине широко используются лекарственные вещества в виде коллоидных систем – суспензии, эмульсии, мази, кремы, пасты, аэрозоли.
Жировые эмульсии применяются для энергетического обеспечения голодающего или ослабленного организма. Их готовят на основе хлопкового, оливкового, соевого масла.
Существенную роль играют коллоиды в промышленности, при добыче и переработке нефти, в производстве строительных материалов, в текстильной, лакокрасочной и пищевой промышленности.
Поверхностные пленки нерастворимых веществ
Поверхностной пленкой называется такой поверхностный слой, отдельные компоненты которого (хотя бы один) отсутствуют в объемных фазах. Более всего распространены пленки нерастворимых веществ на поверхности воды и водных растворов.
Методы получения поверхностных пленок были разработаны около 4000 лет тому назад (Вавилон, Ассирия, Египет). Связаны они были, главным образом, со способностью масла гасить морские волны, известной еще Плинию старшему и Плутарху. В 18 веке впервые были проведены и измерения толщины пленок и площади растекания. Установлено, что 1 чайная ложка масла растекается на площадь 2000 м2. Измеренная скорость растекания составляет 20 см/с.
Из современных применений наиболее важным является нанесение пленки на поверхность воды с целью предотвращения высыхания водных бассейнов (озер). В США озеро Онтарио покрыто сплошной пленкой гексадеканола, Рэтлейк – додеканола. Из сплошной пленки скорость испарения воды уменьшается на 60 – 90 %, что дает экономию более 500 т воды в секунду для Запада США (где испаряется около 2×1010 т/г). Установлено, что наличие пленки не влияет на ровновесие вода – пар или кислород (воздух) – кислород (вода), но существенно изменяет на 3-4 порядка кинетику испарения.