Контрольная работа по "Физико-химическая механика гетерогенных структур "

Саратовский Государственный Технический Университет 

Строительно - Архитектурно - Дорожный Институт 
 
 
 
 

Кафедра: «Производство  строительных изделий и конструкций» 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа  

Физико-химическая механика  

гетерогенных  структур 
 
 
 

Выполнил:  

студент гр. ПСК – 51_З 

Лебедев Р. 

076002 

02 Вариант 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                          

Саратов 2012 г 

6. Поясните высокое стабилизующее действие  мыл, связав его с   полуколлоидной   природой  этих   соединений.

    Эмульгирующее действие как ионогенных, так и неионогенных поверхностно-активных веществ тем эффективнее, чем лучше сбалансированы полярные и неполярные части молекулы эмульгатора между обеими фазами эмульсии. Это значит, что дифильная молекула хорошего эмульгатора должна обладать сродством как к полярным, так и к неполярным средам. Только при этом условии молекулы эмульгатора не будут растворяться преимущественно в какой-нибудь одной из фаз и будут находиться на межфазной поверхности. Сбалансированность молекул эмульгатора в простейшем случае определяется, с одной стороны, длиной углеводородной цепи и с другой — сродством ионогенной или полярной группы к воде.

    Именно  хорошей сбалансированностью объясняется  наилучшее стабилизующее действие мыл, содержащих в углеводородной цепочке от 12 до 18 атомов углерода. Сбалансированностью молекул эмульгатора объясняется и род эмульсий, которые получаются с применением этого эмульгатора. Так, эмульгаторы, в молекуле которых действие полярной части превалирует над действием неполярной и которые лучше растворяются в воде, образуют эмульсии первого рода. Наоборот, эмульгаторы, у которых действие неполярной группы молекулы преобладает над действием полярной которые лучше растворяются в углеводородах, способствуют образованию эмульсии второго рода.

 

33. Молекулярная  адсорбция на границе  Твердое тело –  раствор; влияние  природы среды, адсорбента, температуры. Правило  уравнивания полярностей.

    Адсорбция на границе твердое тело — раствор в общем сходна с адсорбцией на поверхности твердое тело — газ, но в первом случае явление сильно усложняется наличием третьего компонента — среды (растворителя), молекулы которого могут также адсорбироваться на поверхности адсорбента и, следовательно, являться конкурентами молекул адсорбтива. Таким образом, адсорбция этого вида является всегда адсорбцией из смеси. Кроме того, адсорбция на границе раздела твердое тело — раствор всегда усложняется взаимодействием молекул адсорбтива с молекулами среды.

    При рассмотрении адсорбции из раствора на твердом теле принято различать  два случая: адсорбцию неэлектролитов, когда адсорбируются молекулы адсорбтива, и адсорбцию электролитов, когда избирательно адсорбируется один из ионов электролита.

    Количество  вещества а, молекулярно адсорбированное 1 г адсорбента из раствора, обычно вычисляют по уравнению:

    

    где с₀ и с₁—начальная и равновесная концентрации адсорбтива, моль/л; V— объем раствора, из которого происходит адсорбция, л; т — масса адсорбента, г 1000— лереводиой миожитель (для перевода измеряемой величины в ммоль/г).

    Иногда, когда известна удельная поверхность  адсорбента, величину адсорбции относят  к единице поверхности (обычно к 1 см²).

    Зависимость молекулярной равновесной адсорбции из раствора на твердом теле от концентрации адсорбтива характеризуется обычной изотермой адсорбции, и для достаточно разбавленных растворов в этом случае адсорбция хорошо описывается эмпирическим уравнением Фрейндлиха или уравнением Ленгмюра, Конечно, для описания адсорбции из раствора на твердом теле применимо и уравнение Гиббса, но, к сожалению, сложность определения поверхностного натяжения на границе твердое тело — раствор не позволяет непосредственно использовать его в этом случае.

    Тем не менее величину гиббсовской адсорбции легко определить экспериментально измеряя изменение мольной концентрации адсорбтива в растворе в результате адсорбции. Если общее число молей вещества в растворе равно п, а мольная доля адсорбтива до адсорбции составляла в растворе Nо и при равновесии с адсорбентом N, то

    

    где m — масса адсорбента; - удельная поверхность адсорбента.

    Влияние природы среды.

    Поскольку, как уже было указано, при адсорбции  из раствора молекулы адсорбтива и среды являются конкурентами, очевидно, чем хуже адсорбируется среда на адсорбенте, тем лучше будет происходить адсорбция растворенного вещества. Исходя из того, что поверхностно-активные вещества обладают малым поверхностным натяжением, можно считать, что чем больше поверхностное натяжение самой среды, тем меньше ее молекулы способны к адсорбции на твердом теле и тем лучше на нем адсорбируется растворенное вещество. Именно поэтому адсорбция на твердом теле обычно хорошо идет из водных растворов и гораздо хуже из растворов в углеводородах, спиртах и других органических жидкостях со сравнительно малым поверхностным натяжением.

    Диэлектрическая проницаемость до некоторой степени является мерой полярности вещества; следовательно, существует известная связь, с одной стороны, между диэлектрической проницаемостью жидкостей и с другой — адсорбционной способностью в этих жидкостях различных адсорбтивов.

    В первом приближении можно также  принять, что чем лучше среда  растворяет адсорбтив, тем хуже идет в этой среде адсорбция. Это положение является одной из причин обращения правила Дюкло — Траубе. Так, когда адсорбция жирной кислоты происходит на гидрофильном адсорбенте (например, силикагеле) из углеводородной среды (например, из бензола), адсорбция с увеличением молекулярного веса кислоты не возрастает, как это следовало бы из правила Дюкло — Траубе, а уменьшается, так как высшие жирные кислоты лучше растворимы в неполярной среде.

    Влияние свойств адсорбента и адсорбтива.

    На  адсорбцию из растворов сильно влияют полярность и пористость адсорбента. Неполярные адсорбенты, как правило, лучше адсорбируют неполярные адсорбтивы, а полярные - асорбенты — полярные адсорбтивы.

    Влияние пористости адсорбента зависит от соотношения размеров пор адсорбента и молекул адсорбтива. При увеличении пористости адсорбента адсорбция малых молекул адсорбтива из растворов обычно возрастает, так как мелкопористые адсорбенты, как правило, обладают большим избирательным действием и влияние химической природы поверхности у них повышено. Однако эта зависимость соблюдается Лишь в том случае, когда молекулы адсорбтива достаточно малы и могут легко проникать в поры. Крупные молекулы адсорбтива не могут попасть в узкие поры адсорбента, и адсорбция уменьшается или, во всяком случае, чрезвычайно сильно замедляется. Результатом этого может явиться также обращение правила Дюкло - Траубе, т. е. с увеличением размера молекул адсорбтива адсорбция на адсорбентах с узкими порами не возрастает, а падает.

    Рассматривая (влияние химической природы) адсорбтива на его способность адсорбироваться на твердом теле, трудно сделать какие-нибудь обобщения, так как адсорбируемость одного и того же адсорбтива сильно зависит от полярности адсорбента и среды. Все же, определяя влияние на адсорбцию свойств самого адсорбтива, можно исходить из правила уравнивания полярности, сформулированного П. А. Ребиндером. Согласно этому правилу вещество С может адсорбироваться на поверхности раздела фаз А и В в том случае, если наличие вещества С в поверхностном слое приводит к уравниванию разности полярностей этих фаз. Иначе говоря, адсорбция будет идти, если значение полярности вещества С, характеризуемой, например диэлектрической проницаемостью ξ, лежит между значениями полярностей веществ А и В, т. е. если будет соблюдаться условие:

    

    Из  правила уравнивания полярностей  также вытекает, что чем больше разность полярностей между растворимым веществом и раствором, т. е. чем меньше растворимость вещества, те лучше оно будет адсорбироваться.

    Из  правила П. А. Ребиндера также следует, что дифильные молекулы поверхностно - активного вещества должны ориентироваться на границе раздела адсорбент — среда таким образом, чтобы полярная часть молекулы была обращена к полярной фазе, а неполярная часть — к неполярной. Воздух, если он является одной из фаз, можно считать неполярной фазой. Ориентацию молекул дифильных веществ, например, молекул жирной кислоты, на границе раздела между различными фазами поясняет схема, представленная на рис. 1.

    

    Рис. 1. Схема ориентации дифильных молекул на границе раздела фаз разной природы.

    Исходя  из сказанного, можно сделать заключение, что все полярные гидрофильные поверхности должны хорошо адсорбировать поверхностно-активные вещества из неполярных или слабополярных жидкостей и, наоборот, неполярные гидрофобные поверхности хорошо адсорбируют поверхностно-активные вещества из полярных жидкостей (например, из водных растворов). Именно на этом основано практическое применение полярных адсорбентов (силикагель, глины, флоридин) для адсорбции поверхностно-активных веществ из неполярных сред и неполярных адсорбентов (уголь) для адсорбции из полярных сред.

    Помимо  общих положений о влиянии  природы адсорбтива на адсорбцию имеется и ряд частных правил. Так, с увеличением молекулярного веса способность вещества адсорбироваться возрастает. Именно поэтому алкалоиды, а также красители, обладающие обычно высокими молекулярными весами, хорошо адсорбируются. Замечено также, что ароматические соединения вообще адсорбируются лучше, чем алифатические, а непредельные соединения лучше, чем насыщенные. Наконец, так же как и при адсорбции на границе раствор — воздух, при адсорбции жирных кислот и спиртов на твердых веществах качественно соблюдается известное правило Траубе.

    Влияние времени, температуры и концентрации раствора. Адсорбция вещества из раствора идет медленнее адсорбции газа, так  как уменьшение концентрации в граничном  слое может восполняться только путем  диффузии, происходящей в жидкости в общем довольно медленно. Для ускорения установления адсорбционного равновесия при этом часто применяют перемешивание системы.

    Особенно  медленно происходит адсорбция больших  молекул на адсорбенте с достаточно узкими капиллярами. В этих условиях, как мы уже указывали, равновесие устанавливается чрезвычайно медленно или вовсе не наступает.

    С увеличением молекулярного веса кислоты время наступления адсорбционного равновесия сильно возрастает.

    При повышении температуры адсорбция из раствора уменьшается, однако обычно в меньшей степени, чем адсорбция газов.

    Однако, когда растворимость малорастворимого адсорбтива в растворителе, с увеличением температуры повышается, адсорбция также может возрастать вследствие достижения значительно более высоких концентраций равновесного раствора. Такое явление наблюдается, например, при адсорбции нафталина на гидроксилированной поверхности кремнезема из раствора в н-гептане.

    На  рис. 2 схематически показано изменение  величины гиббсовской адсорбции г в зависимости от мольной доли N адсорбтива в равновесном растворе. При сильной адсорбции адсорбтива и слабой адсорции растворителя кривая 1 вначале круто поднимается вверх, проходит через максимум и затем падает до нуля почти прямолинейно. Снижение величины адсорбции Г объясняется тем, что при больших значениях N концентрации адсорбтива в поверхностном слое и в объеме раствора становятся очень большими и притом одинаковыми. Изотерма 2 характеризует отрицательную адсорбцию, абсолютное значение которой возрастает сначала линейно, потом достигает максимума и, наконец, при очень высокой концентрации адсорбтива в поверхностном слое и в объеме падает до нуля. Изотерма З характеризует сначала положительную гиббсовскую адсорбцию, которая затем меняет знак, переходя через нуль, и становится отрицательной. Отрицательная адсорбция с увеличением N также достигает нуля. В точке пересечения изотермы с осью абсцисс концентрации поверхностного и объемного растворов одинаковы, так что данный адсорбент не может разделить смеси. Это явление называют адсорбционной азеотропией.