Визначення поверхневого натягу індивідуальних рідин на кордоні з повітрям
БІЛОукраїнський ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра фізичної хімії
ПРАКТИКУМ З КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ Частина 1. «Поверхневі явища»
Для студентів хімічного факультету
Автори: Т. А. Савицька, канд. хім. наук, доцент, М. П. Шиманович, помічник
Автори висловлюють подяку студентці 5-го курсу Алізарчик Т. Г. за допомогу у підготовці рукопису.
Рецензенти: А. В. Блохін, канд. хім. наук, доцент кафедри фізичної хімії Білоукраїнського державного університету, Л. Я. Крісько, канд. хім. наук, доцент кафедри
фізичної та колоїдної хімії Білоукраїнського державного технологічного університету.
Редакційно-видавнича рада БДУ …, 2003р., протокол №…
Практикум з колоїдної хімії. Частина 1. "Поверхневі явища". Авт. Т.А. Савицька, М.П. Шиманович. - Мн.: БДУ, 2003. -
Дане видання є першою частиною лабораторного.
практикуму за курсом «Колоїдна хімія» та присвячено вивченню поверхневих явищ на прикладі поверхневого натягу та адсорбції.
Практикум призначений для студентів хімічного факультету спеціальностей Н.03.01.00 «Хімія», Н.03.01.15 «Хімія лікарських сполук», Н. 03.01.16 «хімічна екологія» як навчальний посібник з курсу «Колоїдна хімія».
Курс колоїдної хімії знайомить студентів з основами сучасного вчення про дисперсний стан речовини та про особливі властивості поверхневих шарів та дисперсних систем.
Основна мета лабораторного практикуму з колоїдної хімії полягає в тому, щоб допомогти студентам закріпити набуті теоретичні знання законів, яким підпорядковуються гетерогенні дисперсні системи, отримати конкретні навички щодо вивчення цих систем та вміння кількісно характеризувати таописувати їх властивості.
Після проходження лабораторного практикуму студент повинен вміти визначати поверхневий натяг на міжфазних межах рідина – газ та рідина – рідина, кількісно оцінювати адсорбцію речовин на поверхні розділу розчин – газ та розчин – тверде тіло, проводити седиментаційний аналіз суспензій, отримувати гідрофобні золі, оцінювати розміри на підставі їх оптичних властивостей, знаходити ізоелектричну точку поліамфолітів, дзета-потенціал золів та їх стійкість до коагуляції, а також оцінювати властивості міцелярних розчинів поверхнево-активних речовин (ПАР).
Ці навички становлять арсенал класичних методів колоїдної хімії і повинні бути відомі будь-якому хіміку з університетською освітою незалежно від його спеціалізації, оскільки більшість реальних тіл у виробничих процесах та об'єктів наукових досліджень перебувають у дисперсному стані, а складні колоїдні системи з різноманітними поверхнями розділу (біоколоїди, біомбрани) ) відіграють важливу роль у функціонуванні живих організмів. Даний практикум присвячений вивченню поверхневих явищ на прикладі поверхневого натягу та адсорбції.
Оскільки лабораторні заняття починаються, як правило, раніше, ніж закінчується читання курсу лекцій, в теоретичному вступі до розділів дається докладний виклад матеріалу.
При цьому студентам надається можливість вивчення (за бажанням) додаткового матеріалу, що міститься в Додатках 1, 2, 4, 5. Питання для самоконтролю, що наводяться наприкінці теоретичної частини кожного розділу, дозволять студенту краще засвоїти матеріал, виділити в ньому логічну послідовність викладу та перевірити ефективність своєї роботи. Для забезпечення максимальної наочності тапідвищення інтересу до досліджуваного
предмету до практикуму включено Додаток 6, що містить методичні вказівки щодо самостійного проведення студентами демонстраційних експериментів на лабораторних заняттях.
Практикум включає 11 експериментальних робіт, які охоплюють всі аспекти розділу "Поверхневі явища" та пройшли успішну апробацію. Так, роботи № 1 – 3 присвячені вивченню поверхневого натягу індивідуальних рідин на межах рідина – газ (№ 1, 3) та рідина – рідина (№ 2). Поверхневий натяг розчинів студенти визначають при виконанні робіт 4,
Основні аспекти адсорбції на межах розчин – газ та розчин
– тверде тіло викладено у теоретичному описі до робіт № 7 –
11. При виконанні цих робіт студенти повинні навчитися визначати геометричні параметри молекул ПАР, питому поверхню адсорбентів (робота № 7), оцінювати адсорбційну здатність адсорбентів по конкретній речовині (роботи № 8, 9) та ознайомитися з практичним додатком адсорбції – хроматографічним поділом пігментів хлорофілу №11). Робота №10, так само, як і робота №6, містить елементи УІРС.
Кількість робіт, включених до практикуму, перевищує можливість їх виконання одним студентом у навчальний час, відведений на вивчення даного розділу в рамках лабораторного практикуму. Проте наявність достатньої кількості робіт надає викладачеві можливість вибору робіт і певною мірою дозволяє виключити повторюваність робіт у студентів у групі. Роботи №
6 та № 10 рекомендується давати студентам, які добре встигають після того, як вони освоїли навички визначення поверхневого натягу.
та адсорбції при виконанні стандартних робіт Виконання цих робіт оцінюється максимальнимкількістю балів.
Завдання до лабораторних робіт складено таким чином, щоб можна було здійснити диференційований підхід до оцінювання знань студентів. Так, крім основних питань, студентам, зацікавленим у глибшому розумінні предмета, пропонується за бажанням відповісти і на додаткові питання, вивчивши для цього матеріал, що міститься у Додатках. Крім того, студентам пропонується за бажанням додати до роботи резюме англійською або німецькою мовою. Такі диференційовані завдання дають змогу здійснювати індивідуальний підхід до студента. Виконання основних та додаткових завдань викладач оцінює відповідно до рейтингової системи оцінки знань за курсом «Колоїдна хімія».
Практикум містить також Вимоги до оформлення звіту з лабораторних робіт та Рекомендації щодо графічного подання експериментальних даних.
Розділ перший Поверхневі явища
До поверхневих відносяться явища, що відбуваються на межах розділу фаз. Вони зумовлені тим, що стан молекул речовини в поверхневих шарах відрізняється від їхнього стану в обсязі внаслідок відмінності складу та будови контактуючих фаз і пов'язаного з цим різного характеру міжмолекулярних взаємодій у фазах. Поверхневі явища можна не брати до уваги, якщо поверхня розділу невелика (проти об'єму системи). Проте зі збільшенням поверхні вони надають дедалі більше впливом геть механічне і термодинамическое поведінка системи загалом. Особливо важливу роль відіграють поверхневі явища в колоїдних системах, що мають високорозвинену поверхню. Всі найбільш характерні властивості колоїдних систем - агрегативна стійкість, коагуляція, міцелоутворення, процеси набухання, змочування, адсорбції і т.д.явищами, що відбуваються межі розділу фаз.
Поверхневі явища слід враховувати в напівпровідниковій техніці, металургії, електрохімії, гетерогенному каталізі, при поділі та очищенні газів і рідин, у виробництві високополімерних матеріалів, у процесах обміну, що протікають у живих організмах тощо.
Більшість досліджень поверхневих явищ заснована на вимірі поверхневого натягу індивідуальних рідин і розчинів.
Глава 1 . Поверхневий натяг індивідуальних рідин
§ 1. Основні теоретичні уявлення. Молекули в по-
верхній шар за своїм енергетичним станом, безумовно, відрізняються від молекул в обсязі. Молекула в обсязі відчуває однакове в середньому тяжіння навколишніх молекул, внаслідок чого рівнодіюча молекулярних сил в обсязі дорівнює нулю.
Інша картина спостерігається щодо молекул, що знаходяться на поверхні поділу фаз. У цьому випадку рівнодіюча не дорівнює нулю і спрямована у бік фази з великою міжмолекулярною взаємодією. Наприклад, на межі рідина – газ (власна пара чи повітря) рівнодіюча молекулярних сил тяжіння спрямована в глиб рідини нормально до її поверхні. Слідова-