Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар
«Дисперстік фаза», «дисперсиялық орта» ұғымдарына анықтама беріңіз.
«Бөлшектік концентрация», «дисперстік фазаның меншікті беті» ұғымдарына анықтама беріңіз.
Дисперсті жүйелердің жіктелуінің негізгі көрсеткіштері мен қасиеттерін атаңыз.
Жоғары дисперсті және дөрекі дисперсті жүйелер арасындағы айырмашылыққа сипаттама беріңіз.
Бос және байланысқан дисперсті жүйелердің негізгі айырмашылығы неде?
Лиофильді және лиофобты жүйелердің негізгі айырмашылығы неде?
Дисперстік фаза мен дисперсиялық ортаның агрегаттық күйі бойынша дисперсті жүйелердің негізгі топтарын мысал келтіріп атаңыз.
Дисперсті жүйелерді алу мен тұрақтандырудың негізгі әдістерін сипаттаңыз.
3. Дисперсті жүйелердің термодинамикасы
Дисперсті жүйелердің термодинамикасы дисперсиялық ортада біркелкі таралған дисперстік бөлшектердің термодинамикалық қасиеттерін зерттейді.
Дисперсті жүйенің термодинамикалық қасиеттері дисперстік фаза мен дисперсиялық ортаның әрекеттесуінің қарқындылығына байланысты. Сондықтан лиофобты және лиофильді дисперсті жүйелердің термодинамикасын жеке қарастырған жөн.
Лиофобты жүйелердің термодинамикалық (агрегаттық) тұрақсыздығы. Дисперсті жүйелердің термодинамикасын талдау үшін қарапайым жағдайды – сфералық бөлшектердің диаметрі d=2r болатын бос дисперсті жүйені қарастырайық. Дисперстік фазаның меншікті беттік ауданы (sd, м2/кг) келесі теңдеумен анықталады:
, (3.1)
мұндағы ρd – дисперстік фазадағы заттың тығыздығы.
Мұндай дисперсті жүйедегі дисперстік фазаның салмақ бірлігіне келетін беттік бос энергияны келесі қатынас арқылы табамыз:
, (3.2)
мұндағы σ – дисперстік бөлшектердің беттік керілуі; r – бөлшектердің радиусы.
Анықтама бойынша, беттік энергия (Fs, Дж/кг) заттың дисперстік күйдегі Гельмгольц энергиясының оның макроскопиялық объект күйіндегі Гельмгольц энергиясынан артық мөлшері болып табылады. Мұндай артық мөлшердегі энергияның салдарынан дисперсті жүйелер термодинамикалық тұрақсыз болады.
Дисперсті жүйелердің термодинамикалық тұрақсыздығынан беттік энергияның азаюына әкелетін үрдістер жүреді. Яғни бос дисперсті жүйелерде белгілі эволюция өтеді деуге болады, ол dF/dt < 0 шартына, яғни Fs энергияның артық мөлшерінің кемуіне сәйкес жүреді. Бұл шарттың орындалуымен және (3.2)-теңдеу бойынша, дисперсті жүйенің эволюциясы келесі жағдайларға әкелу мүмкін:
Тұрақты беттік керілуде бөлшектер өлшемдерінің өсуі (dr/dt>0). Мұндай үрдіс ұсақ тамшылар бірігіп, ірі бөлшектерге айналғанда жүреді және коалесценция деп аталады. Коалесценция дисперстік фазасы сұйық не газ болатын жүйелерге тән. Коалесценцияның нәтижесінде тамшылар (көпіршіктер) іріленіп, макроскопиялық фазаға айналу мүмкін, яғни дисперсті жүйе жойылады.
Дисперстік бөлшектердің тұрақты өлшемдеріндегі беттік керілудің азаюы (dσ/dt<0). Мұндай үрдіс дисперстік бөлшектер бірігіп, ірі агрегаттардың түзілуімен жүреді және коагуляция деп аталады. Коагуляция сұйық дисперсиялық орта мен қатты дисперстік фазадан тұратын жүйелерге тән. Коагуляция үрдісіндегі дисперсті жүйенің эволюциясы байланысқан дисперсті жүйенің пайда болуына әкеледі. Мұндай жүйедегі бастапқы дисперстік бөлшектердің арасында сұйық дисперсиялық ортаның жұқа үлдірлері болады. Үлдірлердің қалыңдығы аз болғандықтан олардың беттік керілуі сол сұйықтықтың қалың қабатына қарағанда аз болады. Беттік керілудің үлдір қалыңдығына тәуелділігі σ = f(h) өлшемдік эффектіні (әсерді) көрсетеді. Бұл әсердің термодинамикалық себепкері – беттік қабаттардың айқасуының нәтижесінде пайда болатын ажыратушы қысым.
Дисперсті жүйелердің термодинамикалық тұрақсыздығы коллоидтық химияның маңызды мәселелрінің бірі. Кез келген дисперсті жүйенің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін коагуляцияны тоқтату немесе баяулату қажет. Термодинамика дисперсті жүйелерді тұрақтандырудың жалпы әдісін ұсынуға мүмкіндік туғызады. Бұл әдіс бойынша, дисперстік бөлшек-тердің бірігуіне кедергі жасайтын энергиялық тосқауыл құру керек. Мұндай бөгеулерді құрудың механизмдері әртүрлі болады. Тұрақтандырудың негізгі факторлары ажыратушы қысым мен беттік-активті заттардың адсорбциялық қабаттарының қорғаушы қасиеттеріне байланысты.
(3.2)-теңдеу бойынша, бөлшектердің бірдей өлшемдерінде дисперстік фаза мен дисперсиялық ортаның арасындағы шекараның беттік керілуі неғұрлым үлкен болса, соғұрлым жүйе тұрақсыз болады. Сондықтан тұрақтандырудың мәселесі беттік керілуі жоғары лиофобты дисперсті жүйелер үшін маңызды. Тұрақтандырылмаған дисперсті жүйелердің «өмір сүру» уақыты әдетте өте аз – бірнеше секунд ғана болады.
Лиофильді жүйелердің термодинамикасы. Дисперстік бөлшектердің маңызды қасиеттерінің бірі – олар өздерінің кіші өлшемдерінен жылулық (броундық) қозғалысқа белсенді қатысады. Дисперсті жүйелерді термодинамикалық тұрғыдан қарастырғанда, осы қасиетті ескеру қажет. Сонымен қатар броундық қозғалыс дисперстік бөлшектердің ортадағы таралуын, яғни жүйе энтропиясының артуын қамтиді. Сондықтан дисперсті жүйелердің тұрақтылығын толық талдағанда, дисперстік бөлшектердің өлшемдерінің өзгеруінен жүретін дисперсті жүйе энтропиясының өзгеруін қарастыру қажет.
Осыған байланысты өздігінен дисперсиялану үрдістерін қарастырайық. Жүйенің бастапқы күйі – А затының макроскопиялық үлгісі В сұйықтыққа енгізіледі; соңғы күйі – өлшемдері d = 2r болатын А затының бөлшектері бар дисперсті жүйенің коллоидтық ерітіндісі.
Коллоидтық ерітінділердің түзілу термодинамикасын молекулалық ерітінділердің түзілуіне сәйкес сипаттауға болады. Дисперстік фазаның түзілуіндегі Гельмгольц энергиясының өзгеруі екі шамадан тұрады: беттік энергия ΔFs = σsd және энтропиялық үлес ТΔS (Т – температура; ΔS – А заты дисперсияланғандағы жүйе энтропиясының өсуі). Бастапқы күйде А заты бір жерде орналасқан. Соңғы күйде ол дисперсиялық ортада тепе-теңдікті таралып, бастапқы күйге қарағанда жүйенің энтропиясы үлкен болады. Термодинамикалық анықтама бойынша:
. (3.3)
Молекулалық ерітінділер үшін ΔS энтропияның өзгеруі комбинаторлық үлеске сәйкес болады:
, (3.4)
мұндағы β = 15 – 30; kB – Больцман тұрақтысы.
Дисперсті жүйенің термодинамикалық тепе-теңдігінде d(ΔF) = 0 шарты орындалады. Мұндай тепе-теңдік беттік керілу мен бөлшектер өлшемдерінің (d) белгілі қатынасында орындалады:
. (3.5)
Бұл теңдеу бойынша, дисперсті жүйенің термодинамикалық тепе-теңдігі тұрақтандырғыш тосқауылсыз да орнатылу мүмкін. Орындалуға тиісті шарт – беттік керілу аз болу керек. Бөлме температурасында бұл табалдырық 0,1 мДж/м2-ге жуық шаманы құрайды.
Дисперстік фаза мен дисперсиялық ортаның арасындағы шекарадағы төмен беттік керілу – лиофильді жүйелердің көрсеткіші болып табылады және оны Ребиндер-Щукиннің лиофильділік көрсеткіші (критериі) немесе өздігінен дисперсиялану көрсеткіші деп атайды.
Суды жақсы жұқтыратын, бірақ суда өздігінен дисперсияланбайтын жүйелерді лиофильденген (псевдолиофильді) деп атайды. Олар фазаларды бөлу беті лиофильді болатын лиофобты дисперсті жүйелерге жатады.
Достарыңызбен бөлісу: |
