§ 2. Адсорбция ионов из растворов электролитов на твердой поверхности

Правило Фаянса-Панета: адсорбироваться на твердой незаряженной поверхности вещества могут те ионы, которые:1)входят в состав этого вещества;2)изоморфны (подобны по строению) ионам, входящим в состав этого вещества;3)способны образовывать с ионами вещества труднорастворимые соединения

AgCl:1)Ag+, Cl- (AgNO3, KCl)

2) Cu+, Br- (CuNO3, NaBr)3)Pb2+, S2- (Pb(NO3)2, K2S)

Адсорбция ионов из растворов может происходить как на незаряженной (электронейтральной), так и на заряженной поверхности твердого тела. В первом случае адсорбция имеет химическую (хемосорбция), во втором – физическую природу (физ. сорбция).

На заряженной поверхности (поверхности слоя ПОИ) адсорбируются ионы, противоположные по знаку ПОИ; эти ионы называются противоионами (ПИ), на заряженной поверхности ПИ адсорбируются вместе с гидратной оболочкой, адсорбция этих ионов – физическая, т.е., она протекает обратимо

Адсорбционная способность ПИ возрастает с увеличением их заряда и радиуса (имеется в виду радиус иона в чистом виде – без гидратной оболочки)

Li+ < Ca2+ < Al3+

Li+ < Na+ < K+

В последнем случае речь идет о лиотропных рядах

Адсорбция ионов из растворов на незаряженной поверхности – это хемосорбция; эти ионы адсорбируются необратимо; то, что адсорбировалось, не может десорбироваться и покинуть поверхность твердого тела. На незаряженной поверхности ионы адсорбируются в чистом виде (без гидратной оболочки); эти ионы после адсорбции формируют, определяют заряд поверхности, и поэтому называются потенциалопределяющими ионами (ПОИ)

§ 3. Ионообменная адсорбция. Иониты. Очистка сточных вод

Ионный обмен – это обратимый процесс эквивалентного (стехиометрического) обмена ионами между раствором электролита и ионитом (ионообменником, ионообменной смолой)

каркас

подвижный ион (противоион)

Ионообменные смолы (иониты) состоят из трехмерной сетки углеродных цепей, на которой закреплены функциональные группы. По фазовому состоянию иониты представляют собой нерастворимые гели-полиэлектролиты с ограниченной способностью к набуханию.

Ионитыорганические неорганические

Сульфоугли, ионообменные смолы Гели гидроксидов металлов (Fe, Al)

Ионитыкатиониты[…]-Kat+

(H+, Na+, K+, Mg2+)

аниониты[…]+An-

(Cl-, OH-, SO42-)

амфолиты

Иониты

природные синтетические

цеолиты («кипящие камни»),гидрослюда,

монтмориллонит,гуминовые кислоты (компоненты почв)

пермутиты (алюмосиликаты) (применялись для умягчения воды),

ионообменные смолы,сульфоугли и т.д.

Основные свойства ионитов

Емкость (СОЭ, ДОЭ) Емкость характеризует способность ионита обменивать противоионы; она показывает,

какое количество г экв ионов способно адсорбироваться на 1 кг сухого (или

набухшего) ионита

Кислотно-основные свойства

Селективность

Набухаемость Набухаемость – характерное свойство сухого ионита при его контакте с раствором.

Количественной характеристикой набухаемости служит степень набухания, которую определяют как отношение разности объемов набухшего и

сухого ионита к массе сухого ионита.

Химическая стойкость

Механическая прочность

Иониты применяют для очистки от примесей, умягчения и обессоливания воды в очистных сооружениях (фильтры для очистки воды), атомной энергетике, электронной и др. отраслях проышленности, для гидрометаллургической переработки бедных руд различных цветных металлов, при получении лекарственных препаратов.

Иониты, применяемые в пищевой промышленности

тип Функциональ-ные группы

Емкость, г экв/кг

Области применения

Катиониты

-SO3H 3,0-7,0 Производство молока и сахара, очистка воды от положительно заряженных

примесей, умягчение воды, производство пищевых кислот и пектина

-COOH 6,0-10,0 Разделение аминокислот, улавливание пищевых кислот, обесцвечивание

сахарорафинадных растворов

Аниониты

-NH2,≡NH 2,5-5,0 Очистка воды от отрицательно заряженных примесей, понижение кислотности молока

Раздел Раздел IIII. Дисперсные системы. Дисперсные системы

Тема I. Способы получения дисперсных систем

диспергирование

конденсация

пептизация

Все методы получения дисперсных систем можно разделить на 3 группы: диспергирование (сверху вниз: от макрообъектов к ДС), конденсация (снизу вверх: от истинных (молекулярных и т.д.) растворов к ДС) и пептизация (перевод во взвешенное состояние (в ДС) свежих осадков)

Дробление, измельчение, истирание (перетирание): измельчение руд, производство цемента, минеральных солей и удобрений, диспергирование топлива в форсунках двигателей внутреннего сгорания (а также, естественно, тщательное пережевывание пищи) и т.д.

§ 1. Диспергирование

До 5 % мировых энергозатрат уходит именно на измельчение

материаловЧто происходит при диспергировании?

Чтобы разрушить твердое тело, его необходимо вначале деформировать (Адеф), а затем, преодолев когезионные силы, образовать новую поверхность раздела фаз (Апов)

Уравнение Ребиндера

Если размеры частиц, образующихся при измельчении, довольно велики, то основной вклад в работу измельчения (работу дробления) вносит первое слагаемое, если размеры частиц малы – то второе слагаемое (работа диспергирования)

Работа дробления Работа диспергирования

Разрушение материалов может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера (эффект адсорбционного понижения прочности твердых тел), который заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью поверхностно-активных веществ, в результате чего облегчается деформирование и разрушение (диспергирование) твердого тела

В качестве понизителей прочности (твердости) используют:жидкие металлы при разрушении твердых металлов;органические вещества для уменьшения прочности органических кристаллов (например, сахара);обычную воду при измельчении неорганических минералов (мокрый помол)

Для понизителей прочности характерны малые количества, вызывающие эффект Ребиндера, а также специфичность действия

§ 2. Физическая и химическая конденсация

Физическая конденсация происходит под действием физических факторов (воздействий на систему):конденсация из паровой фазы (образование облаков, тумана и пр.)замена растворителя и др. (изотермическая перегонка) Гомогенная конденсация происходит в объеме

истинного раствора, гетерогенная – на границе раздела фаз (раствор/сосуд, раствор/воздух и т.д.)

Образование водной эмульсии скипидараОбразование водной эмульсии скипидара

р-р скипидара в этаноле

р-р стабилизатора (ПАВ) в воде

С2Н5ОН + скипидар

вода

нас. р-р скипи-дара в С2Н5ОН

С2Н5ОН + Н2О

эмульсия

Образование белого золя канифоли (золя мастики - применяется Образование белого золя канифоли (золя мастики - применяется при пропитке дерева, бумаги и др. материалов)при пропитке дерева, бумаги и др. материалов)

р-р канифоли в этанолевода

С2Н5ОН + канифоль

вода

канифоль

С2Н5ОН + Н2О

белый золь

СН3COOH CH3COO- + H+

{[CH3COOH]m nCOO- (n-x)H+}x-xH+

компактный агрегат ПОИ АСПИ ДСПИ ядро коллоидной частицы

коллоидная частица

структурная единица гидрозоля

Физическая конденсация происходит в результате химических реакций различных типов:

реакции ионного обмена

реакции гидролиза

окислительно-восстановительные реакции

Два условия, которые должны выполняться, чтобы в ходе химической конденсации был получен относительно устойчивый гидрозоль (речь идет о лиофобных ДС):

скорость образования частиц должна превышать скорость их роста (обеспечивается небольшой размер частиц) – достигается сливанием разбавленных растворов (варьируя порядок сливания реагентов, можно варьировать знак заряда коллоидных частиц образующегося гидрозоля) либо прибавлением малыми порциями (по каплям) концентрированного раствора к разбавленному;

наличие избытка одного из реагентов; именно этот реагент и будет выступать (с учетом правила Фаянса-Панета) в роли электролита-стабилизатора

Получение гидрозоля по реакции гидролиза

FeCl3 + 3 H2O Fe(OH)3 + 3 HCl

Fe3+ + H2O FeOH+ + H+

FeCl3 + H2O FeOHCl2 + HCl

FeOH+ + H2O Fe(OH)2+ + H+

FeOHCl2 + H2O Fe(OH)2Cl + HCl

Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)3 + H+

Fe(OH)2Cl + H2O Fe(OH)3 + HCl

В данном случае заряд коллоидных частиц гидрозоля определяется природой реагирующих веществ

{[Fe(OH)3]m n Fe3+ (3n-x)Cl-}x+xCl-

компактный агрегат ПОИ АСПИ ДСПИ ядро коллоидной частицы

коллоидная частица

структурная единица гидрозоля

AgNO3 + KCl AgCl + KNO3

Получение гидрозоля по реакции ионного обмена

избыток AgNO3

{[AgCl]m n Ag+ (n-x) NO3-}x+ x NO3

-

{[AgCl]m n Cl- (n-x) K+}x- x K+

В данном случае заряд коллоидных частиц гидрозоля определяется тем, какой из реагентов взят в избытке

избыток KCl

Получение гидрозоля по окислительно-восстановительной реакции

H2S + O2 S + H2O

H2S HS- + H+

{[S]m n HS- (n-x) H+}x- x H+

§ 3. Пептизация

Свободнодисперсные ультрамикрогетерогенные системы (золи) при определенных условиях могут коагулировать. Коагуляция представляет собой процесс укрупнения частиц дисперсной фазы (происходящий в результате их слипания), в конечном итоге приводящий к седиментации частиц ДФ (прямая – оседание, обратная - всплывание).Свежие осадки золей могут переведены обратно во взвешенное состояние путем пептизации

Пептизацией называют процесс, обратный коагуляции, т.е., процесс перехода осадка во взвешенное состояние с одновременным дроблением агрегатов на отдельные частицы.

Различают адсорбционную, диссолюционную и химическую петизацию.

Адсорбционная пептизация (добавление электролита-стабилизатора)

[Fe(OH)3]m + FeCl3 {[Fe(OH)3]m n Fe3+ (3n-x)Cl-}x+xCl-

Диссолюционная пептизация (промывание осадка водой)

{[Fe(OH)3]m n Fe3+ 3n Cl-}0 + H2O {[Fe(OH)3]m n Fe3+ (3n-x)Cl-}x+xCl-

Таким образом могут быть переведены во взвешенное состояние осадки, образовавшиеся в результате нейтрализационной коагуляции гидрозоля (частицы осадка не имеют ДЭС)

Таким образом могут быть переведены во взвешенное состояние осадки, образовавшиеся в результате концентрационной коагуляции гидрозоля (частицы осадка имеют ДЭС)

Химическая пептизация (электролит-стабилизатор образуется в результате химической реакции – растворение поверхностного слоя частиц осадка)

[Fe(OH)3]m+n + HCl [Fe(OH)3]m + n FeCl3 {[Fe(OH)3]m n Fe3+ (3n-x)Cl-}x+xCl-

Таким образом могут быть переведены во взвешенное состояние осадки, образовавшиеся в результате нейтрализационной коагуляции гидрозоля (частицы осадка не имеют ДЭС)

§ 4. Образование лиофильных дисперсных систем. Мицеллы, их виды. ККМ

§ 5. Фазовая диаграмма растворов коллоидных ПАВ

§ 7. Методы определения ККМ

§ 8. Солюбилизация, ее виды и механизмы