Как найти общую поверхность частиц

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ в коллоидной химии

Коллоидная химия — это наука о физико-химических свойствах дисперсных систем и поверхностных явлениях. Вследствие исклю­чительно большой роли коллоидных систем и коллоидно-химичес­ких процессов в различных областях техники и человеческой дея­тельности и благодаря накоплению теоретического и практического материала, она выделилась в самостоятельную научную дисципли­ну. Объектами ее изучения являются гетерофазные системы, в ко­торых одна из фаз находится в высокодисперсном (раздробленном) состоянии.

Трудно назвать какую-либо сферу человеческой деятельнос­ти, в которой бы не использовались коллоидные системы или кол­лоидные процессы. Поверхностные явления (смачивание, адгезия, адсорбция, коагуляция, седиментация и др.) лежат в основе таких процессов химической технологии, как измельчение, гранулирова­ние, сушка, фильтрация, флотация, спекание, склеивание, краше­ние. К наиболее распространенным дисперсным системам относят дымы и туманы, эмульсии, пены, суспензии, порошки, ныли, гели. Дисперсными системами являются продукты питания, лекарства, биологоческие ткани. В мире каждый год производится сотни мил­лионов тонн дисперсных веществ и материалов. Знание закономер­ностей, присущих дисперсным системам, необходимо не только для оптимизации технологических процессов, но и при получении материалов с заданными свойствами, а также при решении задач охраны окружающей среды.

Определение размера частиц и удельной поверхности

Дисперсные системы всегда гетерогенные (гетерофазные). Они состоят из дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Объектам изучения коллоидной химии присущи два основных признака:

1. гетерогенность или многофазность (качественный признак).
2. дисперсность (количественный признак) определяется раз­мерами частиц в трех измерениях.

Основные характеристики, используемые для описания дисперс­ных систем:

1. Характеристический размер частиц — а; [м]. Для сферических частиц это диаметр сферы d, для кубичес­ких — ребро куба.
2. Дисперсность (раздробленность) D — это величина, обратная наименьшему размеру частиц.

3. Удельная поверхность Sуд. — это межфазная поверхность (S1,2,), приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы (V) или ее мас­сы (т).

Рассмотрим, как определяется удельная поверхность: если система состоит из п частиц, то

Коэффициенты формы для сферических, кубических частиц к = 6, для пленок к = 2, для волокон к = 4.

С увеличением дисперсности или уменьшением размера час­тиц возрастает удельная поверхность.

Методы получения дисперсных систем

Для получения дисперсных систем используют две группы ме­тодов: диспергационные и конденсационные (табл. 1.1).

Диспергирование — метод получения дисперсных систем пу­тем измельчения или дробления конденсированного тела.

Конденсация — метод получения дисперсных систем за счет объединения или агрегатирования молекул, или ионов вещества.

Дробление веществ до частиц малых размеров требует боль­шой затраты работы, так как поверхность раздела между фазами в таких системах весьма велика. Однако с помощью механических методов диспергирования даже в присутствии стабилизаторов прак­тически невозможно получение частиц с размерами менее 100 нм. В случае диспергирования одной жидкости в другой (несмешивающейся с первой) процесс называется эмульгирование.м. И в этом случае требуется почти обязательное присутствие в системе ве­ществ — эмульгаторов, стабилизирующих ее дисперсный состав (поверхностно-активных веществ, полимеров, порошков). Таким образом, обычно получают частицы радиусом не меньше 500 нм.

Более высокая дисперсность системы может быть достигнута при использовании мегодов, основанных на агрегации атомов и мо­лекул, т. е. методов конденсации. Именно эти методы чаще всего используются для получения истинно-коллоидных растворов.

Образование дисперсных систем при использовании конден­сационных методов происходит в результате либо гетерогенного зарождения, когда возникновение новой фазы осуществляется на уже имеющихся поверхностях (стенках сосуда, частицах посто­ронних веществ — ядрах конденсации), либо на поверхностях заро­дышей, возникающих самопроизвольно в гомогенной среде.

Зародыши в этом случае могут возникать лишь при определен­ном критическом пересыщении раствора.

Степень пересыщения

Самопроизвольное возникновение ядер конденсации зави­сит от многих причин: химических свойств реагирующих веществ, от характера ассоциации атомов и молекул, вязкости среды, темпе­ратуры и др.

Процесс образования дисперсной фазы при конденсации име­ет две основные стадии:

• возникновение центров конденсации;
• рост зародышей.

Дисперсность получаемых коллоидных систем зависит от соот­ношения скорости образования зародышей (υ1) и скорости их рос­та (υ2). При малой скорости образования зародышей (υ1 < υ2), в сис­теме образуется небольшое число достаточно крупных частиц. Если же скорость возникновения зародышей велика, а скорость их роста мала (υ1 > υ2) в системе, наоборот, возникает большое число мел­ких частиц. В этом случае образуются высокодисперсные золи, размер частиц в которых позволяет отнести их к коллоидным растворам.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1.1.

Методом механического диспергирования 5 г толуола в 1 л воды получена дисперсная система с частицами толуола шарообразной формы с радиусом 2,5 -10 ⁷ м. Плотность толуола равна 0,867 г/см³.

Решение:

Определяем дисперсность системы D и удельную поверх­ность S уд

Рассчитываем общую поверхность частиц S и число частиц N в дисперсной системе.

Пример 1.2.

Дисперсность частиц коллоидного золота равна 10⁸ м^-1. При­нимая частицы золота в виде кубиков, определите, какую поверх­ность S _обш они могут покрыть, если их плотно уложить в один слой. Масса коллоидных частиц золота 1 г. Плотность золота равна 19,6 • 10³ кг/м³.

Решение:

Пример 1.3.

Коллоидные частицы золота имеют дисперсность D = 108 м^-1. Какой длины (L) будет нить, если 1 г кубиков золота расположить друг за другом. Плотность золота составляет 19,6 • 10³ кг/м³.

Примеры решения задач и упражнений

1.
Рассчитать удельную поверхность частиц
золя золота, полученного в результате
дробления 0,5 г золота на частицы
шарообразной формы диаметром 7 нм и
плотностью 19,32 г/мл.

Решение:

Если раздробленные
частицы имеют шарообразную форму, то
удельную поверхность частиц определяем
по формуле (0).

Рассчитываем
радиус частицы золя золота:

Определяем объем,
занимаемый 0,5 г золота:

Удельная поверхность
раздробленных шарообразных частиц
золота равна:

Находим общую
площадь поверхности S
частиц золя золота:

S
=
S_удV=
0,86·10⁹·2,58·10^–8
= 2,22 м².

2.
Эритроциты человека имеют форму диска
диаметром 7,5 мкм и толщиной 1,6 мкм.
Вычислите эффективный радиус и удельную
поверхность эритроцитов.

Решение:

Эритроцит человека
приблизительно имеет форму диска (рис.
1), поэтому его площадь равна сумме двух
площадей круга и площади образующего
цилиндра

Рис. 1.
Схематическое изображение эритроцита

Задачи и упражнения для самостоятельного решения

1. Золь
коллоидной камфоры содержит в 1 мл 200
млн. сферических частиц камфоры диаметром
1,00∙10^–4 см.
Найти общую площадь поверхности частиц
камфоры в 200 мл такого раствора.

(Ответ:
1,912∙10⁴ см²)

2. Вычислите
удельную поверхность суспензии каолина
(плотность 2,5∙10^–3
кг/м³),
если ее частицы считать шарообразными,
а средний диаметр частиц равным 0,5∙10^–6
м. Суспензия монодисперсна.

(Ответ:
4,8·10⁹
м²/кг)

3. Определите
удельную поверхность и суммарную площадь
поверхности частиц золя серебра,
полученного при дроблении 1,2 г серебра
на частицы шарообразной формы с диаметром
1,0·10^–8 м.
Плотность серебра 10500 кг/м³

(Ответ:
6·10^–8 м^–1;
68,4 м²
)

4.
Аэрозоль получен распылением 0,5 кг угля
в 1 м³ воздуха.
Частицы аэрозоля имеют шарообразную
форму, диаметр частицы 8·10^–5
м. Определите
удельную поверхность и число частиц в
этом аэрозоле. Плотность угля 1,8 кг/м³.

(Ответ:
0,75·10⁵
м^–1;
1,04·10²³)

5.
Вычислите суммарную площадь поверхности
шарообразных частиц золя ртути с
диаметром 2,5·10^–8
м. Золь
получен дроблением 5,2 г ртути. Плотность
ртути 13546 кг/м³.

(Ответ:
92,2 м²)

6.
Рассчитайте суммарную площадь поверхности
частиц золя сульфида мышьяка и число
частиц в 0,5 л золя, если 1 л золя содержит
2,25 г As₂S₃.
Частицы золя имеют форму кубиков с
длиной ребра 1,2·10^–7
м. Плотность
As₂S₃
равна 3506
кг/ м³.

(Ответ:
16,0 м²,
1,85·10¹⁴)

7.
При дроблении 8,13 г металла на правильные
кубические частицы с длиной ребра 4·10^–8
м получили
дисперсную систему, которая может
применяться в качестве адсорбента.
Рассчитать удельную и общую поверхность
адсорбента. Плотность металла 1,355·10³
кг/м³.

(Ответ:
900 м²)

2.1.2. Классификация дисперсных систем

Дисперсные системы
в природе отличаются огромным
разнообразием, поэтому невозможно
составить для них единственную
классификацию.
Существуют общие признаки, которые
характерны для всех дисперсных систем,
и частные, распространяющиеся лишь на
отдельные виды этих систем.

Классифицировать
дисперсные системы можно на основе
следующих общих признаков:

• агрегатное
  состояние дисперсной фазы и дисперсионной
  среды;

• размер и распределение
  частиц дисперсной фазы по размерам;

• вид дисперсной
  фазы.

Таблица 1.
Классификация дисперсных систем в
зависимости от размера частиц дисперсной
фазы (дисперсности)

Классификация по
структурно-механическим свойствам

Все дисперсные
системы можно подразделить на два
класса: свободнодисперсные,
в которых частицы дисперсной фазы не
связаны между собой и могут свободно
перемещаться, взаимодействие является
слабым. Подобные системы характеризуются
текучестью (золи, эмульсии). В
связнодисперсных
системах
частицы дисперсной фазы соединены теми
или иными связями. В итоге они образуют
пространственные структуры – решетки,
сетки и т.д. – и текучесть системы
невелика (кремы, гели).

Таблица 2.
Классификация по структурно-механическим
свойствам

Классификация по
характеру взаимодействия

дисперсной фазы
и дисперсионной среды

По характеру
взаимодействия между веществом дисперсной
фазы и веществом жидкой дисперсионной
средой различают лиофильные и лиофобные
дисперсные системы.

• Лиофильные
  дисперсные системы
  – термодинамически
  устойчивые системы, которые образуются
  самопроизвольно при приведении в
  контакт двух фаз, одна из которых будущая
  дисперсная фаза, а другая – будущая
  дисперсионная среда.

Система «олеат
натрия – вода» является лиофильной:
если поместить достаточное количество
кристаллов олеата натрия в воду, то
через некоторое время они самопроизвольно
диспергируются с образованием мутной
мицеллярной системы. В таких системах
сильно выражено взаимодействие молекул
дисперсной фазы и дисперсионной среды.

• Лиофобные
  дисперсные системы
  – термодинамичеси
  неустойчивые системы, которые не
  образуются самопроизвольно при
  приведении в контакт двух фаз, одна из
  которых будущая дисперсная фаза, а
  другая – будущая дисперсионная среда.

Система «кристаллы
иодида серебра – вода» является
лиофобной: если поместить в воду
достаточное количество кристаллов
иодида серебра, то самопроизвольное
диспергирование не происходит. В таких
системах взаимодействие молекул
дисперсной фазы и дисперсионной среды
выражено слабо.

Таблица 3.
Классификация по
агрегатному состоянию

дисперсной фазы
и дисперсионной среды

Частицы, которые
имеют размерность намного меньше, чем
10^–10 м
становятся не заметными в микроскоп и
их реальные размеры определить не
удается.

Таблица 4.
Характеристика дисперсных систем по
виду дисперсной фазы

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Общая площадь поверхности частиц Калькулятор

Общая площадь поверхности частиц Решение

ШАГ 0: Сводка предварительного расчета

ШАГ 1. Преобразование входов в базовый блок

Площадь поверхности одной частицы: 10.8 Квадратный метр —> 10.8 Квадратный метр Конверсия не требуется
Количество частиц: 17 —> Конверсия не требуется

ШАГ 2: Оцените формулу

ШАГ 3: Преобразуйте результат в единицу вывода

183.6 Квадратный метр —> Конверсия не требуется

8 Основные формулы Калькуляторы

Общая площадь поверхности частиц формула

Площадь поверхности = Площадь поверхности одной частицы*Количество частиц

SA = S*N_p

Общая площадь поверхности частиц

Общая площадь поверхности частиц — это общая площадь поверхности всех частиц, присутствующих в данной смеси.