Оқулық Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі оқулық ретінде бекіткен
жүктеу/скачать 3,84 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Қайталауға және өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар, жаттығулар мен есептер
- Х- тарауды зерделеуді бітіргенде сіз мыналарды
- XI-тарау БЕТТІК ҚҰБЫЛЫСТАР ЖӘНЕ АДСОРБЦИЯ
- 1 Сорбциялық құбылыстардың жалпы сипаттамасы
ядро агрегат коллоидтык болшек мицелла
Мұнда әрқашанда n m болады. Бұл формуладағы m - AgJ - агрегатты құрайтын AgJ - молекуласының саны; n – потенциал анықтағыш иондардың саны; (n-x) – ядро жақын орналасқан қарсы иондардың саны; х – диффузиялық қабаттағы қарсы иондардың саны.
Егер AgJ зольі AgNO 3 ертіндісінде болса, онда оның мицелласының құрылысы былайша жазуға болады. - 3 3 xNO
} x { NO n nAg AgJ m
Дәл осы сияқты кремний қос тотығының гидрозольінің (1) темір гидраттарының гидрозольінің (2)
мицеллаларының құрылыстарын жазуға болады: xCl 3
x 3 { . 2 xH 2 } x 2 { . 1 3 3 3 2
n nFe OH Fe m H n nSiO SiO m
Потенциаланықтағыш ион бір валентті болып келгенде, коллоидтық бөлшектің оң, иә теріс зарядталғанына байланысты 323
мицелланың құрылысының жалпы формуласын төмендегіше көрсетуге болады. xК } x т { . xА } x т { . К n nА агрега m Б А n nК агрега m A
Мұндағы A - – аниондар; К + – катиондар; Ал квадраттық жақшада агрегат, и фигуралық жақшада коллоидтық бөлшек. Кейбір орысша жазылған ескі оқулықтарда коллоидтық бөлшекті зарядталған комплекс, иә гранула деп те атайды. 3.5 Коллоидық жүйенің изоэлектрлік күйі Жоғарыда AgNO 3 +KI=AgI+KNO 3 теңдеуі бойынша иодты күмісті алғанда оның коллоидтық бөлшектердің заряды қай реактивтің артық мөлшерде алғанымызға байланысты болатынын көрдік. Егер күміс нитратын артық мөлшерде алсақ, онда потенциал анықтағыш ион Ag + болғандықтан, бөлшек оң зарядталады. Егер иодты каллийды артық мөлшерде алсақ, онда потенциал анықтағыш ион I - болғандықтан бөлшектер теріс зарядталады. Егер осы реактивтерді (AgNO 3 және KI) эквивалентті мөлшерде алсақ, онда тұрақты коллоидтық жүйе түзілмейді. Түзілген коллоидтық бөлшектердің электрлік заряды
болмайды, яғни электрокинетикалық потенциалдың мәні 0-ге тең болады.
Коллоидтық жүйедегі бөлшектердің электркинетикалық потенциалы 0-ге тең күйі изоэлектрлік күй деп аталады. Коллоидтық жүйенің изоэлектрлік күйі зарядты бөлшектері бар жүйе электролит қосқанда да болады. Кейбір зольдердің изоэлектрлік күйге көшу мысалдарын қарастырайық. 1.
2.
а) мицелланың изоэлектрлік күйге көшуі (х → о;(n-x) → n): {[AgI] m,n I
,(n-x)K + } - xK + адсобциялық қабат диффузиялық қабат ә) изоэлектрлік күйдегі мицелла (x=0;(n-x)-n) {{AgI] m , nI - , nK
+ } 0
адсорбциялық қабат
2. Күміс иодидінің мицелласы оң зарядталған: a) Мицелланың изоэлектрлік күйге көшуі (x→0; (n-x)→n) 324
{[AgI] m, nAg
+ , (n-x)NO 3 }
xNO 3 - адсорбциялық қабат диффузиялық қабат
ә) изоэлектрлік күйдегі мицелла: (x=0:(n-x)=n) {[AgI] m, nAg + , nNO
3 - } 0 адсорбциялық қабат 3. Темір (III) гидроксидінің мицелласы. a) мицелланың изоэлектрлік күйге көшуі (x→0;(n-x)→n) {[Fe(OH) 3 ] m, nFeO
+ ,( n-x)Cl - }
xCl –
адсорбциялық қабат диффузиялық қабат б) Изоэлектрлік күйдегі мицелла (x = 0; (n-x) = n): {[Fe(OH) 3 ]
, nFeO + nCl - } 0 адс
қабат Ерітіндіде иондардың концентрациясы арттырған сайын х-тың шамасы азаяды (қарсы ионның біраз бөлігі диффузиялық қабаттан адсорбциялық қабатқа көшкендіктен ), ал (n-x) шамасы артады да n- ге жақындайды. Изоэлектрлік күйде x=0 және (n-x)=n болады. Иондық стабилизатор бұл жағдайда толық адсорбциялық қабатқа көшеді де, онда ол диссоцияланбаған күйінде болады. Қос электрлік қабаттың бәрі адсорбциялық қабатта болады. Бұл жағдайда электрофорез (немесе электросмос) жылдамдығы 0-ге тең болады. Дисперстік фазаның электрокинетикалық потенциалы және бөлшектердің заряды да нөлге тең болады. Изоэлектрлік күйдегі бөлшекті заряды жоғалған бөлшек ретінде қарастыруға болады. Сондықтан электролиттің әсерін зарядсыздандыру ретінде
қарастырады. Алайда
мұндай зарядсыздандыру бөлшектің бетінен иондарды кетіру емес. Потенциал анықтағыш иондардың саны өзгеріссіз қалады. Олардың зарядтары мицелланың ядросына жақын орналасқан қарсы иондар мен толық
бейтараптанбаған. Электролит қосқанда электркинетикалық потенциалдың күшті өзгеріп, ал адсорбциялық (термодинамикалық) потенциалдың тұрақты болуы осымен түсіндіріледі. Изоэлектрлік жағдайды зольдер тұрақсыз болады және коллоидтық еріген зат тұнбаға түседі.
мен есептер: 1.
Жарық денеге түскенде қандай құбылыстарды байқауға болады? Олардың ішінде қайсылары коллоидтық жүйеге тән болады? 325
2.
Фарадей – Тиндаль эффектісін түсіндіріңіз. Шашыраған жарықтың қарқындылығы қандай факторларға тәуелді болады? Рэлей теңдеуін жазыңыз. 3.
Шашыраған және
поляризацияланған жарықты
қандай диаграммалар арқылы сипаттауға болады, олар қандай бөлшектер үшін көрсетілген? 4.
Ультрамикроскоп арқылы нені зерттеуге болады? Оның сұлбасын көрсетіп, қажетті формулаларды жазыңыз. 5.
6.
Электрондық микроскоптық әдістің
ерекшеліктері, артықшылықтары мен кемшіліктері туралы не айта аласыз? 7.
ерекшеліктері бар? Ол қандай заңға бағынады? 8.
Броундық қозғалыстың теориясын кімдер жасады?Диффузия коэффициентінің Эйнштейн қорытқан формуласын жазыңыз. Бұл теорияны эксперимент арқылы кімдер растап берді? 9.
Коллоидтық жүйелердегі диффузияның ерекшеліктерін айтыңыз. Фик заңының математикалық өрнегі қалай жазылады? 10.
Олардың себептерін көрсетіңіз. 11.
Доннанның мембраналық тепе-теңдігі деп нені айтады? Оны қарастырып, қандай құбылыстарға түсіндіруде оның маңызы зор екенін көрсетіңіз. 12.
13.
Седиментациялық – диффузиялық тепе-теңдік деп нені айтады? Оның теңдеуін жазыңыз. 14.
Седиментациялық талдау дегеніміз не? Ол не үшін қолданылады? Қажетті формулаларын жазыңыз. 15.
Электркинетикалық құбылыстар деп нені атайды? Олардың қандай түрлері бар? Олардың бір-бірінен қандай айырмашылықтары бар? 16.
Қос электрлік қабаттың пайда болу себептерін көрсетіңіз. Әрқайсысына мысал келтіріңіз. 17.
Қос электрлік қабаттың құрылысын түсіндіріңіз.Қандай түрлерін білесіз? Олардың әрқайсысының артықшылықтары мен кемшіліктерін көрсетіңіз. 18.
Мицеласының ядросы агрегат, коллоидтық бөлшек дегеніміз не? Нақты мысал келтіріңіз. 326
19.
Коллоидтық жүйенің изоэлектрлік күйі деп нені айтады? Изоэлектрлік күйге көшу мысалдарын көрсетіңіз. 20.
Барий сульфаты бөлшегінің тығыздығы 4,51*10 3 кг/м
3 , тұнбаға түсу жылдамдығы 3,5*10 -2 м/сек. Судағы барий сульфаты суспензиясының бөлшегінің радиусын есептеңіз. 21.
AgCl суспензиясын седиментациялағанда алынған мәліметтерге сүйене отырып, таралу қисығын сызыңдар. Тұнбаға түсу уақыты, t мин . 1, 1,5 2 3 5 10 15 30 Тұнбаға түскен суспензиясының массасы m,% 42 55 61 73 80 94 97 100
AgCl = 5,56*10 -3 кг/см
3: ; H
2 O = 1*10
-3 кг/м
3 ;
22.
1) H 2 SO 4 немесе BaCl 2 артық мөлшерін; 2) AgNO
3 немесе
KI
артық мөлшерін; 3) KI немесе AgNO 3 артық мөлшерін; 4) HCHO немесе KAuO 2 артық мөлшерін алып коллоидты ерітінділер даярланған. Сондағы түзілген мицелалардың құрылысын жазып, бөлшектердің зарядын анықтаңыз. 23.
3 немесе HCl, алынған болса, темір гидроксиді зольі мицеласының формуласы қалай жазылады? 24.
{ mS, nS
2 O 6 2- , 2(n-x)H + }
2xH+ { mAu, nAuO 2 - , (n-x) K + } -xK + { mSiO 2 , nSiO
3 2- , 2(n-x)H + } 2x- xH + мицеллаларының құрылысын талдаңыз. 25. Бөлшектің радиусы r=50нм, тәжірибесінің температурасы К, ортаның тұтқырлығы η =10 -3
Па*с болған жағдайдағы диффузиялық коэффициенті (Д) және τ =10с уақыттағы гидролиз бөлшектерінің орташа квадраттын жылжуын (∆) табыңыз. 26. Судағы гексан эмульсиясы мен нитробензолдың 2
0
С температурадағы және басқа да бірдей жағдайлардағы жарық шашырату қарқындылығын салыстырыңыз. Бұл сұйықтықтардың сыну көрсеткіштерін анықтамадан алыңыз.
27. Төмендегі мәліметтер бойынша Fe(OH) 3 золі бөлшектерінің электрокинетикалық потенциалын есептеңіз. Ішкі ЭҚК 170в электродтардың ара қашықтығы 0,45 м, зольдің қатардағы жылуы 30 минутта 12 мм құрады. Тәжірибе 298 К температурада жүргізілген, ортаның тұтқырлығы 8,94*10 -4
Па және салыстырмалы диэлектрлік тұрақтылығы 78,2 тең. 28. Бөлшектердің электркинетикалық потенциалы 50 Мв бір-бірінен 30 см қашықтықта орналасқан электродтар 180 В кернеу берілген. Зольдің тұтқырлығы 0,01% ортаның диэлектрлік тұрақтылығы 81. Золь бөлшектерінің электр формуласының жылдамдығын анықтаңыз. 29. Сұйылтылған А затының ерітіндісінің В затын өте баяу енгізудің нәтижесінде С затының гидролизі түзілуі мүмкін. Мицеллалардың формулаларын жазып, золь бөлшектерінің электрлік зарядының таңбасын 327
анықтаңыз. Әр золь үшін берілген заттардың ішіндегі қай коагулятор экономикалық тұрғыдан тиімді болады?
Р/н А В С Коагуляторлар 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NaI
AlCl 3
BaCl 2
MnCl 2
AgNO 3
Pb(NO 3 ) 2
Pb(NO 3 ) 2 FeCl
3
CuSO 4 FeSO
4
AgNO 3 NaOH
K 2 SO 4
(NH 4 ) 2 S HCl
KI (NH
4 ) 2 S K 4 [Fe(CN) 6 ] H 2 S K 3 [Fe(CN) 6
AgI Al(OH) 3
BaSO 4
MnS AgCl
PbI 2
PbS Fe 4 [Fe(CN) 6 ] CuS Fe 3 [Fe(CN) 6 ] NaF, Ca(NO 3 ) 2 , K
2 SO 4 Na 2 SO 4,
KNO 3, CaCl 2 NH 4 Cl, AlCl 3 , Zn(Ac) 2 BaBr
2 , H
2 SO 4, NaCl NaF, Cu(NO 3 ), K
2 SO 4 Cu(OH)
2 , (NH
4 )NO
3 , AlBr
3
Ca(NO 3 ) 3, NaCl, Al(NO 3 ) 3 K 2 SO 4, NH 4 NO 3, AlCl 3
HCl, CuCl 2,
Na 2 SO 4 KNO
3, NH 4 NO 3, NaCl
Коллоидтық жүйелердің оптикалық қасиеттерін; жарықтың дисперстік жүйелерде шашырауын, коллоидтық жүйелерді зерделеудің оптикалық әдістерін – ультрамикроскоптық, нефелометрлік, электрондық микроскоптық, рентгенграфтық және электронграфтық әдістерін; жарықтың коллоидтық жүйелерде жұтылуын; коллоидтық жүйелердің молекулалық- кинетикалық қасиеттерін – диффузия және осмос қысымын; Доннанның мембраналық тепе – теңдігін; седиментацияны және седиментациялық талдауды; коллоидтық жүйелердің электрлік қасиеттерін; электркинетикалық құбылыстарды (электрфорез, электросмос, ағу және шөгу потенциалдарын); қос электрлік қабат (ҚЭҚ) пайда болу себептерін; ҚЭҚ-тың құрылысын; лиофобтық коллоидтық мицелланың құрылысын білуге тиістісіз.
328
XI-тарау БЕТТІК ҚҰБЫЛЫСТАР ЖӘНЕ АДСОРБЦИЯ
Беттiк құбылыстар гетерогендiк жүйелердiң бөлу (жанасу) беттерiнде жүредi және көп жағдайда олар жүйенiң жалпы қасиеттерiне әсерiн тигiзедi. Беттiк құбылыстарға жұғу мен жайылу, гетерогендiк катализ,адсорбциялық процестер мен қатты дененiң
ұсақталуы, флотация, коллоидтық жүйелердiң тұрақтандыру, эмульсияны алу т.б.процестер жатады. Беттiк құбылыстарды сипаттайтын шамалардың бiрi - беттiк керiлу. Беттiк керiлу бөлу (жанасу) бетiнiң бiрлiгiнiң (мысалы, 1 см 2 ) еркін беттiк энергиясының өлшемi. Егер осы артық энергияны жанасу бетiнiң ауданына (S см 2 ) көбейтсек, онда берiлген гетерогендiк жүйенiң еркін беттiк энергиясын аламыз:
S F (1) Термодинамикадан жүйенiң тұрақты тепе-теңдiк жағдайы еркін энергияның ең аз (минимумы) мөлшерiне сәйкес келетiнi белгiлi. Ендеше еркін энергиясы берiлген жағдайдағы ең аз еркін энергиядан көбiрек гетерогендiк жүйелер тұрақсыз және оларда сол еркін энергияны азайтатын бағытта өздiгiнен процесс (не процестер) жүруi керек. (1)-теңдеуден еркін беттiк энергияның кемуi екi түрлi жолмен болатынын көруге болады, фазалардың жанасу беттерiнiң азаюының және беттiк керiлудiң азаюының нәтижесiнде болады екен. Таза заттардың табиғатына байланысты олардың беттiк керiлуi тұрақты бiр шама. Оларда беттiк энергияның кемуi тек ауданның азаюымен анықталады. Мысалы, кез-келген сұйықтың тамшысының пiшiнiн алып қарасақ, ол шар тәрiздi болады, өйткенi геометриялық пiшiндердiң iшiнде шардың ауданы ең азы. Құрамдары күрделi жүйелерде беттiк энергияның кемуi басқа да жолмен, атап айтқанда, беттiк керiлудiң азаюымен жүзеге асуы мүмкiн.Мысалы, ерiтiндiлерде ерiген заттың қоюлықтарына (концентрациясына) байланысты, яғни ерiтiндiнiң жанасу бетiнде ерiген заттық қоюлығының көбеюiне немесе азаюына байланысты беттiк керiлудiң азаюы мүмкiн.Бөлу (жанасу) беттерiнде кез-келген бiр заттың өздiгiнен көбеюi немесе азаюы жалпы түрде адсорбция деп аталады. Бiз осы тарауда адсорбция құбылыстарының түр- түрiмен танысып, олардың ішінде ертінді - газ жанасу бетіндегі
329
және қатты дене – ертінді жанасу бетіндегі адсорбцияның ерекшелiктерi мен қасиеттерiн қарастырамыз.
Гетерогендiк жүйелердiң жанасу беттерiнде болатын беттiк құбылыстардың теориялық және практикалық жағынан маңызы зор, әрi көп тарағаны - сорбциялық құбылыстар. Сорбция деп бiр заттың өз бетiнше басқа бiр затқа жұтылу құбылысын айтады. Әдетте өзiне жұтатын (сiңiретiн) зат (қатты, не сұйық зат) сорбент, ал жұтылатын зат сорбтив (кейде сорбат) деп аталады. Сорбтивтiң сорбентке қаншалықты терең сiңiрiлуiне және олардың арасындағы байланыстар мен әрекеттесуге байланысты сорбциялық құбылыстарды бiрнеше түрге бөледi. Егер сорбтив сорбенттiң тек бетiнде ғана жиналса (жұтылса), онда бұл құбылысты адсорбция (беттік сорбция) деп атайды. Бұл жағдайда сiңiрушi зат адсорбент ал сiңiрiлген зат (жұтылатын зат) адсорбтив (адсорбат) деп аталынады. Мысалы, металл бетіндегі газдардың адсорбциялары. Егер сорбтив сорбенттің бүкіл көлемінде (жұтылса), онда ол құбылысты абсорбция (көлемдік сорбция) деп атайды. Мысалы, Н 2 – нің Рd-дағы абсорбциясы. Адсорбент пен адсорбтивтiң арасындағы әрекеттесудiң табиғатына байланысты адсорбция физикалық (ван-дер-ваальстiк) және химиялық (немесе хемосорбция) болып екiге бөлiнедi. Бiрiншi жағдайда адсорбент пен адсорбтив арасында физикалық (молекулалық), не басқаша айтқанда ван-дер-ваальстiк күштер болады. Физикалық адсорбция әрқашанда қайтымды. Химиялық адсорбция кезiнде адсорбент пен адсорбтив арасындағы байланыс химиялық болады. Мысалы: О 2 -нiң С-дегi; СО 2 -нiң СаО-дағы; NH 3 -
4 -тегi адсорбциялары. Капилярлық конденсация деп
аталатын сорбциялық құбылыстардың бiр түрiн айта кеткен жөн. Бұл құбылыс кезiнде адсорбент адсорбтивтi (газдар мен буларды) жұтып қана қоймай,оның үстiне
өздерiнiң капилярына оларды конденсациялайды. Газдардың жұтылуына қарап капилярлық конденсацияны абсорбция (жұтылу) құбылысы деуге болады, ал түтiкшенiң iшiнде конденсацияланған сұйықтық жиналып, олардың барлық көлемде бiрдей болмайтындығынан бұл құбылысты
330
Адсорбенттiң бiрлiк ауданындағы (1см² немесе 1м²) жұтылған зат мөлшерiн меншiктi адсорбция деп атайды. Оны Г не А әрiпiмен белгiлейдi. Егер сорбтивтiң мөлшерi x болса, онда: А=x/S немесе Г=x/S мұндағы S-адсорбент бетiнiң ауданы. Адсорбенттiң бетiн анықтау мүмкiншiлiгi болмаған жағдайда адсорбцияны адсорбенттiң бiрлiк массадағы (г,кг) адсорбтивтiң мөлшерiмен сипаттайды: Г=x/m; немесе A=x/m; мұндағы m-адсорбенттің массасы. Берiлген адсорбент пен адсорбтив үшiн адсорбцияның шамасы (Г) екi термодинамикалық параметрлерге тәуелдi болады: егер адсорбтив газ болса температура (Т) мен қысым (P); егер адсорбтив сұйық болса температура (Т) мен қоюлық (концентрация, С). Сонымен үш шаманың Г, Т және С (немесе р) арасында белгiлi бiр функциялық байланыс бар екен. Оны математикалық жолмен жалпы термодинамикалық теңдеу бойынша көрсетуге болады: (Г,Т,С)=О, немесе f(Г,Т,р)=О (2) бұдан:
Г=f(Т,С); немесе f(Т,р) (3) (3) - жалпы теңдеуден дербес теңдеулерді жазуға болады. Егер температура тұрақты болса, онда: Г=f(с) немесе Г=f(р) (4)
(4) - теңеуді адсорбция изотермасының теңдеуі деп атайды. Егер қысым тұрақты болса (р = const), онда мынадай теңеуді жазуға болады: Г=f(Т) (5) (5) - теңеуді адсорбция изобарасының теңдеуі деп атайды.
Егер қоюлық (концентрация) тұрақты (С=сonst) болса, онда: Г=f(Т) (6) (6) - теңеуді адсорбция изопикнасының теңдеуі деп атайды. Егер адсорбция мөлшері тұрақты болса (Г=const), онда қоюлық пен температура арасындағы байланыс мынадай түрде болады: С=f(T) (7) (7) - теңдеуді адсорбция изостерасының теңдеуі деп атайды.
331
Осы теңдеулердің өзара байланысын көрсететін нақты түрлерін молекулалы – кинетикалық түсініктер негізінде немесе термодинамикалық тәсілдермен қорытуға болады. Ал кейбіреулерін теориялық жолмен қорытуға болады. Ал кейбіреулерін теориялық жолмен қорытуға болмайтындығын, тәжірибеге негізделген эмпирикалық теңеулермен көрсетуге болады.
(Мысалы, изотерманың Фрейндлих жасаған теңдеуі). Адсорбцияның өзіне тән жалпы ерекшелігі бар, олар: 1) адсорбцияның термодинамикалық қайтымдылығы, яғни адсорбция мен оған қарама-қарсы процесс - десорбция өзара динамикалық тепе-теңдікте болады: адсорбция↔десорбция; 2) процесстің экзотермиялығы, яғни адсорбция кезінде жылудың бөлінуі; 3) активтендіру энергиясынан аздығы, яғни энергетикалық тосқауылдың аласалығы; Ендеше адсорбция жылдамдығы көп (dГ/dt немесе dQ/dt шамалары өте көп) болады. Адсорбциялық құбылыстарды өзара жанасатын фазалардың агрегаттық күйіне байланысты топтаған да жөн. Осыған байланысты бес түрлі адсорбциялық жүйелерді көрсетуге болады: газ бен ерітінді арсындағы; сұйықтық пен ерітінді арасындағы; өзара ерімейтін екі сұйықтық арасындағы; газдың қатты дене бетіндегі; ерітіндінің қатты дене бетіндегі адсорбциялары. Осылардың алғашқы үшеуінде адсорбент сұйықтық болса, ал соңғы екі жағдайда адсорбент – қатты дене. Сондықтан олардың өзара айырмашылықтары бар. Мысалы, алғашқы үш адсорбцияда адсорбция шамасын (Г) беттік керілумен (σ) байланыстырады. Беттік керілу ұғымы белгілі болғандықтан адсорбциялық құбылыстармен толығырақ танысуды алдымен ерітінді мен газ, не сұйықтық жанасу беттерінде болатын адсорбциялармен бастайық.
жүктеу/скачать 3,84 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|