Правило шульце гарди кратко

Обновлено: 30.06.2024

1. Все сильные электролиты, добавленные к золю в достаточном количестве, вызывают его коагуляцию.

Минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию золя за определённый короткий промежуток времени, называется порогом коагуляции.

Порог коагуляции можно рассчитать, зная концентрацию электролита-коагулятора С, объём добавленного электролита V, и объём золя V_золя (обычно 10 мл): Величина, обратная порогу коагуляции , называется коагулирующей способностьюэлектролита. Значит, чем меньше порог коагуляции, тем больше коагулирующая способность электролита.

2. Коагулирующим действием обладает не весь электролит, а только тот ион, заряд которого совпадает по знаку с зарядом противоионов мицеллы лиофобного золя (заряд коагулирующего иона противоположен заряду коллоидной частицы). Этот ион называютионом – коагулянтом.

3. Коагулирующая способность иона – коагулянта тем больше, чем больше заряд иона. Количественно эта закономерность описывается эмпирическим правилом Шульце – Гарди, а теоретически обоснованную связь между зарядом коагулирующего иона и порогом коагуляции дает теория Дерягина – Ландау.

Соотношение порогов коагуляции для одно -, двух - и трёхвалентных ионов равно (правило значности):

γ₁ : γ₂ : γ₃ = 729 : 11 : 1

Следовательно, коагулирующая способность трёхзарядного иона в 729 раз выше коагулирующей способности однозарядного иона.

В настоящее время установлены отклонения от правила Шульце – Гарди – Дерягина – Ландау (правило значности). На порог коагуляции кроме заряда оказывают влияние радиус коагулирующего иона, способность к адсорбции и гидратации, а также и природа иона, сопутствующего коагулирующему.

В случае многозарядных ионов возможен и такой эффект, как перезарядка частиц, т.е. изменение знака заряда и потенциала коллоидной частицы. Добавляемые ионы могут обмениваться с противоионами, замещая их и в диффузном и в адсорбционном слоях. При этом, если многозарядный ион является достаточно маленьким (например, Al 3+ , Th 4+ и др.), он замещает на поверхности частиц (в адсорбционном слое)неэквивалентное по заряду количество прежних ионов (сверхэквивалентная адсорбция). Например, вместо одного – двух ионов К + может оказаться ион Th 4+ . Поэтому, при достаточно высокой концентрации таких ионов создаваемый ими заряд на поверхности может стать больше по абсолютному значению, чем заряд потенциалопределяющих ионов. Это и означает изменение знака заряда и потенциала. Теперь такие ионы становятся потенциалопределяющими (вместо прежних) и вокруг частицы ориентируются иные противоионы.

4. Коагулирующая способность иона при одинаковом заряде тем больше, чем больше его кристаллический радиус.

Для однозарядных неорганических катионов коагулирующая способность убывает в следующем порядке:

После вычисления порогов коагуляции для всех электролитов, полученные данные сопоставляют с правилом Шульце-Гарди: из двух ионов электролита коагулирующим действием обладает тот, знак которого противоположен знаку заряда коллоидных частиц, причём это действие тем сильней, чем выше валентность коагулирующего иона.

Значения порогов коагуляции, вызываемой электролитами с зарядами противоионов 1, 2, 3 относятся как:1:(1/2) 6 :(1/3) 6 .

Пороги коагуляции уменьшаются в ряду противоионов:

катионов:Li + > Na + > K + > Rb + > Cs + ,

анионов:Cl - > Br - > NO₃ - > I - .Эти ряды называются лиотропными. Чем более ионы лиофобны, тем большим коагулирующим действием они обладают.

Коагулирующее действие смеси электролитов часто бывает неаддитивным. Если для начала коагуляции требуется смеси электролитов в большем количестве, чем одного из них -антоганистическое действие. Если смесь электролитов действует эффективней, чем один электролит - синергетическое действие.

Рассмотренные закономерности относятся к порогу быстрой коагуляции, для которой потенциальный барьер равен нулю или фактор устойчивости равен единице.

Термодинамическая теория устойчивости и кинетическая теория ДЛФО хорошо согласуются, дополняют друг друга и подтверждаются опытом.

Взаимная коагуляция – смешивание двух коллоидных р-ов с разноименно – заряженными частицами, ведущая к образованию осадка. Взаимная коагуляция происходит тогда, если суммарный заряд частиц одного золя нейтрализует суммарный заряд другого. При коагуляции золи смесями электролитов наблюдаются разные закономерности коагуляции: 1) вычитание коагулирующего действия (антогонизм). При этом происходит образование пептизаторов, которые хорошо адсорбируются или образование из исходных ионов слабо диссоциирующих молекул; 2) суммированием коагуляции – его действие (аудетивность); 3) усиление коагулирующего действия (синергизм)

7)Поверхностные явления (ПЯ) – процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое, и возникающие в результате взаимодействия сопряженных фаз, имеющих различный состав и строение. Поверхность раздела фаз – это граничная область между фазами, конечный по толщине слой, в котором происходит изменение свойств от значений характерных для одной фазы, до значений, характерных для другой.

Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) — увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности раздела двух фаз (твердая фаза-жидкость, конденсированная фаза - газ) вследствие нескомпенсированности сил межмолекулярного взаимодействия на разделе фаз [1] . Адсорбция является частным случаем сорбции, процесс, обратный адсорбции - десорбция

Пороги коагуляции уменьшаются в ряду противоионов:

катионов:Li + > Na + > K + > Rb + > Cs + ,

Расклинивающее давление возникает при сильном уменьшении толщины пленки в результате перекрывания поверхностных слоев (поверхностного разрыва).

В гетерогенных системах под пленкой понимают тонкую часть системы, находящуюся между двумя межфазными поверхностями.

Если пленка имеет толщину h больше двух толщин поверхностных слоев ( h 2 d ), то для нее в обобщенное уравнение первого и второго начал термодинамики входят поверхностные энергии обоих поверхностных слоев. При уменьшении толщины пленки ограничивающие ее поверхностные слои начинают перекрываться, вследствие чего возникает давление, обусловленное взаимодействием как сближающихся фаз, так и межфазных слоев - расклинивающее давление. Таким образом, избыточные термодинамические функции тонкой пленки зависят от ее толщины h .

П( h )=( r - r ₀ )=-(1/ s )( G / h ) (12.1)

r - давление в пленке, r ₀ - гидростатическое давление в окружающей пленку фазе, частью которой является пленка, s - площадь межфазной поверхности.

Таким образом, расклинивающее давление можно рассматривать как разность гидростатических давлений в пленке и в окружающей пленку фазе или как приращение энергии Гиббса на данном расстоянии между поверхностными межфазными слоями, пересчитанное на единицу толщины пленки и отнесенное к единице площади перекрывания поверхностных слоев. Расклинивающее давление - суммарный параметр, учитывающий силы отталкивания и силы притяжения, действующие в пленке.

Расклинивающее давление может быть положительным, вызывающим утолщение пленки и отрицательным, утончающим пленку. Положительному расклинивающему давлению соответствует уменьшение энергии Гиббса. При равенстве положительных и отрицательных сил пленка становится равновесной.

Расклинивающее давление аналогично осмотическому давлению в том отношении, что разность химических потенциалов среды в пленке и объеме компенсируется в обоих случаях избыточным давлением.

Расклинивающее давление измеряется в единицах давления.

Составляющие расклинивающего давления:

2.Электростатические силы (взаимодействие между перекрывающимися ДЭС),

3.Структурные силы (изменение структуры растворителя при перекрытии сольватных слоев поверхностей),

4.Адсорбционные силы (силы, обусловленные неравномерным распределением растворенного вещества в пленке),

5.Стерические силы (в результате перекрывания адсорбционных слоев ПАВ и полимеров).

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ РАСКЛИНИВАЮЩЕГО ДАВЛЕНИЯ В ТЕОРИИ ДЛФО

Устойчивость дисперсных систем и коагуляция отражают непосредственное взаимодействие частиц дисперсной фазы между собой. Это взаимодействие также определяет адгезию частиц к макроповерхностям и структурообразование в дисперсных системах. Поэтому в основе любой теории устойчивости должно лежать соотношение между силами притяжения и отталкивания частиц.

Предложено несколько теорий устойчивости и коагуляции.

Широкое признание получила теория устойчивости и коагуляции, учитывающая электростатическую составляющую расклинивающего давления (отталкивание) и его молекулярную составляющую (притяжение)

В наиболее общем виде эта теория была разработана Дерягиным, Ландау и несколько позднее независимо от них голландскими учеными Фервеем и Овербеком. По первым буквам этих ученых теория названа теория ДЛФО.

Теория ДЛФО применима к тем системам, устойчивость которых обеспечивается электростатическим фактором. Механизм образования электростатического барьера связан с механизмом образования ДЭС.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ КОАГУЛЯЦИИ ГИДРОФОБНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОЛИТАМИ

Принято считать, что лиофобные системы агрегативно устойчивы, благодаря проявлению электростатического фактора стабилизации и коагулируют при введении в систему сравнительно небольших количеств любых электролитов. Наименьшая концентрация электролита с_м, при которой начинается медленная коагуляция, называется порогом коагуляции. Для осуществления быстрой коагуляции требуется такая концентрация электролита с_б, после увеличения которой скорость коагуляции остается постоянной.

Из рис.12.1. видно, что введение электролита в дисперсную систему снижает потенциальный барьер, который при быстрой коагуляции становится равным нулю.

В соответствии с теорией ДЛФО введение электролита в дисперсную систему вызывает сжатие двойного электрического слоя на поверхности частиц, вследствии чего они могут подойти друг к другу на расстояния, на которых преобладают силы притяжения. Уменьшение толщины ДЭС сопровождается обменом противоионов этого слоя на вызывающие коагуляцию ионы электролита. Сжатие ДЭС происходит за счет уменьшения электрического потенциала в результате специфической адсорбции ионов введенного электролита на поверхности частиц и из-за ограничения диффузии противоионов в раствор в связи с увеличением ионной силы раствора. По преобладанию того или иного механизма различают нейтрализационную и концентрационную коагуляцию.

Условие устойчивости и коагуляции определяется толщиной диффузной части слоя и критической концентрацией электролита (порог быстрой коагуляции):

с_б/ c 3 _кр = c o n s t (12.2)

c _кр - величина обратная толщине диффузного слоя ДЭС.

Рис.12.1.Зависимость скорости коагуляции от концентрации электролита.

Зависимость порога коагуляции от заряда противоиона z :

с_б z 6 = c o n s t (12.3)

В соответствии с теорией ДЛФО нейтрализационная коагуляция более характерна для систем с частицами, обладающими малым электрическим потенциалом. Особенно сказывается на коагуляции таких систем специфическая адсорбция ионов добавляемого электролита, имеющих заряд, одинаковый по знаку с зарядом противоионов ДЭС. Эти ионы, находясь в адсорбционном слое, резко снижают потенциал - происходит нейтрализация потенциала уже в адсорбционном слое. Так как при специфической адсорбции ионов возможна перезарядка поверхности частиц, то для нейтрализационной коагуляции характерна область агрегативной неустойчивости между минимальной и максимальной концентрациями электролита. При введении электролита в количестве, превышающем некоторое максимальное значение, дисперсная система может перейти во вторую область устойчивости, в которой частицы будут иметь заряд, противоположный заряду частиц в первой области устойчивости.

Специфичность адсорбции повышается с увеличением заряда адсорбируемого иона, поэтому вклад нейтрализационной коагуляции растет при переходе к многозарядным ионам.

Концентрационная коагуляция обусловлена сжатием ДЭС в результате увеличения ионной силы раствора. Этот вид коагуляции осуществляется при добавлении индифферентных электролитов, не способных к специфической адсорбции.

Коагулирующее действие электролитов сильно зависит от заряда противоионов и тем сильнее, чем больше потенциал поверхности. Этот вывод совпадает с экспериментальными данными, и количественные соотношения удовлетворительно подтверждают эмпирически установленные правила.

Правило Шульце - Гарди

Пороги коагуляции уменьшаются в ряду противоионов:

катионов: L i + > N a + > K + > R b + > C s + ,

анионов: C l - > B r - > N O ₃ - > I - .Эти ряды называются лиотропными. Чем более ионы лиофобны, тем большим коагулирующим действием они обладают.

Коагулирующее действие смеси электролитов часто бывает неаддитивным. Если для начала коагуляции требуется смеси электролитов в большем количестве, чем одного из них - антоганистическое действие. Если смесь электролитов действует эффективней, чем один электролит - синергетическое действие.

СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УПРУГОВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ ТЕЛ

Свойства дисперсных систем определяются числом частиц дисперсной фазы. Если частиц много, между ними возникает контакт, образуется структура, которая придает системе прочность. Дисперсные системы приобретают способность сопротивляться разрушению. В определенных условиях может происходить течение этих систем. Подобные системы изучаются реологией - наукой о деформации и течении тел.

Образование, особенности и разрушение структурированных систем

Если взаимодействия между частицами нет, и они могут двигаться, то такие системы называются свободнодисперсными. Свободнодисперсные системы текут, как и все жидкости или газы, наличие частиц дисперсной фазы лишь повышает вязкость системы.

При увеличении числа частиц между ними возникает взаимодействие, дисперсная система образует структуру, которая представляет собой пространственный каркас, состоящий из частиц дисперсной фазы и заполненный дисперсионной средой.

Упорядоченные - частицы структуры находятся в определенном порядке.

Неупорядоченны е - частицы структуры располагаются хаотично. Структуры, в которых частицы связаны между собой называются еще связнодисперсными, в отличие от свободнодисперсных они обладают новым качеством - прочностью.

Механические свойства связнодисперсных систем: прочность, упругость, эластичность, пластичность. Совокупность механических свойств - структурно-механические свойства.

Типы связи в структурированных системах:

1 .Коагуляционная - происходит непосредственно или через прослойку жидкости. Граница раздела между частицами сохраняется. Связь осуществляется за счет межмолекулярных контактов. Коагуляционные структуры являются тиксотропными, то есть после разрушения способны самопроизвольно восстанавливаться с течением времени.

2. Кристаллизационная связь (фазовые контакты) - между частицами образуются мостики, возможно срастание частиц. Взаимодействие вызвано когезионными силами, действующими на значительной площади, соизмеримой с размерами частиц. Системы с такой связью не обладают тиксотропией.

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

При ранних исследований (1882-1900) был обнаружен определенное влияние заряда коагулирующего иона на скорость коагуляции. Такое действие электролитов связывалась с зарядом коллоидной частицы и с явлением адсорбции (Фрейндлих).

Опыты по изучению процесса коагуляции позволили определить следующие закономерности:

- Коагулирующая способность электролита связана с зарядом ионов;

- Коагулирующий ион должен иметь заряд, противоположный заряду частицы;

- Чем больше заряд иона, тем меньше концентрация электролита вызывает быструю коагуляцию.

Эти закономерности получили название правила Шульце - Гарди.

КОАГУЛЯЦИЯ ЗОЛЯ ГИДРОКСИДА ЖЕЛЕЗА (III) ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОЛИТОВ. МЕХАНИЗМ КОАГУЛЯЦИИ

2. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия: учеб. для фарм. вузов и факультетов / под ред. К.И. Евстратовой. – М.: Высшая школа, 1990. – 487 с.

4. Полежаева Н.И. Поверхностные явления и дисперсные системы. Часть 1. Природа и классификация дисперсных систем. Электрический заряд коллоидных частиц. Электрокинетические явления. Устойчивость и коагуляция коллоидных частиц: учеб. пособие / Н.И. Полежаева. – Красноярск: СибГТУ, 2003. – 52 с.

6. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебник / Ю.Г. Фролов. – изд. 3-е, испр., перепеч. с изд. 1989 г. – М.: Альянс, 2009. – 464 с.

Разработка и внедрение программ, направленных на защиту окружающей среды и сохранение флоры и фауны водоемов, проходят в каждом регионе. Предприятия, осуществляющие слив сточных вод в естественные водоемы, несут бремя ответственности, а соблюдение ими правил организации стоков, очистки и обеззараживания загрязненной и бывшей в использовании воды контролируются на правительственном уровне. Именно поэтому вопросу выбора наиболее эффективной, безопасной и надежной системы очистки сточных вод уделяется особое внимание.

Метод коагуляции – новое направление в очищении и обеззараживании сточных вод. Сегодня существует несколько методов очищения загрязненных сточных вод, среди которых особую популярность получил коагуляционный метод очистки воды, относящийся к категории химических, не представляющий угрозы природе. Коагуляция воды направлена на качественную очистку подвергающихся обработке и переработке жидкостей, которые используются на промышленных объектах. Проведенное очищение и обеззараживание загрязненной воды позволяет вторично ее использовать или осуществлять сброс в реки, не нанося вред окружающей среде, живой флоре и фауне, что особенно важно сегодня, когда вопросам экологии и сохранения природных ресурсов уделяется столько внимания. Основная задача системы очистки стоков – удаление загрязнений, для которых подбирается строго определенный коагулянт для очистки воды с целенаправленным действием. Коагуляция позволяет эффективно очистить сточные воды с использованием специальных реагентов, нахождение в воде которых впоследствии не приведет к нарушению микрофлоры природного водоема, куда идет слив сточных вод предприятия.

Важнейшие экспериментальные факты, способные служить базой для построения теории коагуляции базируются на многообразии причин, вызывающих коагуляцию, на коагулирующем действии электролитов, на влиянии величины заряда иона-коагулятора [1–6].

Установленные закономерности коагуляции нашли свое выражение в правиле Шульце-Гарди, высказанном еще в конце XIX века [1–6].

В ходе развития представлений об устойчивости и механизмах коагуляции гидрофобных коллоидов растворами электролитов возникло много теорий, которые пытались объяснить три вопроса [1–5]:

1) почему коагуляция наступает при определенной концентрации электролита-коагулятора;

2) почему при этом основную роль играет концентрация иона, несущего заряд, противоположный заряду частицы;

3) почему влияние заряда иона-коагулятора подчиняется закономерности, выраженной правилом Шульце-Гарди.

Все теории коагуляции в основном подразделяются на адсорбционные и электростатические [1–6]. Современная физическая теория устойчивости и коагуляции коллоидных систем была развита Б.В. Дерягиным и Л.Д. Ландау (1937), Э. Фервеем и Я. Овербеком (1941). В соответствии с первыми буквами фамилий авторов теория носит название ДЛФО. Согласно этой теории, между любыми частицами при их сближении возникает расклинивающее давление разделяющей жидкой прослойки в результате действия сил притяжения и отталкивания. Состояние системы зависит от баланса энергии притяжения и энергии отталкивания. Преобладание энергии отталкивания приводит к устойчивости системы. Преобладание энергии притяжения вызывает нарушение агрегативной устойчивости, т.е. коагуляцию [1, 5, 6].

Коагуляция сложный процесс, который зависит как от природы золя, так и от природы коагулирующих электролитов. Настоящая работа посвящена изучению закономерностей и механизма коагуляции под действием индифферентных электролитов на примере коллоидной системы – золя Fe(OH)3.

Васильевым С.Е. выполнена экспериментальная часть работы и изучен механизм коагуляции.

Коагуляция гидрофобных золей. Факторы, вызывающие коагуляцию

Лиофобные дисперсные системы (золи, суспензии, эмульсии) агрегативно неустойчивы, поскольку обладают избытком поверхностной энергии Гиббса. Процесс укрупнения частиц (коагуляция) протекает самопроизвольно, так как он ведет к уменьшению удельной поверхности и снижению поверхностной энергии Гиббса. Коагуляция представляет собой процесс слипания (или слияния) частиц дисперсной фазы при потере системой агрегативной устойчивости [1–6].

При коагуляции изменяются физико-химические свойства систем: появляется мутность, снижается осмотическое давление, изменяются электрическая проводимость и характер вязкости. На изменении физико-химических свойств основаны методы наблюдения и изучения процесса коагуляции.

Фактором, вызывающим коагуляцию, может быть любой агент, нарушающий агрегативную устойчивость системы, например изменение температуры (сильное нагревание или охлаждение вплоть до замораживания), механическое воздействие (интенсивное встряхивание, перемешивание, перекачивание по трубам), действие света и различного рода излучений, действие электрических зарядов. Однако наиболее важным фактором является действие электролитов. Электролиты, добавляемые к золям, чрезвычайно быстро и резко влияют на толщину ДЭС и на z-потенциал, являющийся одним из главных факторов устойчивости гидрофобных коллоидных систем.

Коагуляция под действием электролитов. Правило Шульце-Гарди

Наблюдения Г. Шульце (1882) показали, что коагулирующей способностью обладает один из ионов добавляемого электролита (ион-коагулятор). Коагулирующая способность иона-коагулятора возрастает с увеличением его заряда (правило Шульце). Несколько позже М.Гарди (1900) нашел, что заряд коагулирующего иона всегда противоположен заряду коллоидной частицы (правило Гарди). Следовательно, коагуляцию отрицательного золя вызывают катионы добавленного электролита. Для золя с положительно заряженными частицами ионами-коагуляторами являются анионы [1–6].

Закономерности, найденные Шульце и Гарди и подтвержденные многочисленными исследователями, известны как правило Шульце-Гарди: коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет заряд, противоположный заряду гранулы; коагулирующее действие тем сильнее, чем выше заряд иона-коагулятора (правило значности).

Порогом коагуляции (g) называют наименьшее количество электролита, необходимое для коагуляции 1 м3 золя. Его выражают в ммоль/л или моль/л.

Для расчета порога коагуляции достаточно умножить концентрацию электролита с (кмоль/м3) на объем его раствора, вызвавшего коагуляцию, V (м3), и произведение разделить на взятый объем золя W (м3):

(кмоль/м3). (1)

Читайте также: