Коллоидная химия. Шпаргалка

При смачивании неполярной поверхности неполярной жидкостью поверхностные фазы будут определяться дисперсионными составляющими. В таких условиях значение критического поверхностного натяжения может быть близко к критическим значениям поверхностной энергии.

27. Использование ПАВ (вытеснение нефти, течение в невесомости и др.)

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) очень энергично используются в процессах смачивания поверхности и имеют достаточно широкое применение.

При использовании поверхностно-активных веществ модифицированные поверхности твердых тел могут широко применяться для регулирования поверхностных свойств наполнителей резин, синтетических полимеров и других практически важных полимеров.

При смачивании раствором поверхностно-активного вещества происходит изменение параметров краевого угла, что важно учитывать, если необходимо получение более точных результатов. Этим и объясняется понижение поверхностного натяжения. Нанесение поверхностно-активных веществ на гидрофобизирующие слои используется для избежания, а также предотвращения слеживания мелкопористых порошков, для защиты металлов от коррозии.

Введение поверхностно-активных веществ в водные растворы и некоторые виды эмульсии может быть применено при обработке растений ядохимикатами. Эти процессы связаны с тем, что поверхность листьев гидрофобна и поэтому для улучшения прилипания химикатов к листьям необходима т. н. гидрофилизация листьев.

Поверхностно-активные вещества могут быть добавлены к клеевым составляющим. Добавки поверхностно-активных веществ могут улучшать смачивание поверхностей при тушении пожаров (в частности, если горят болота, в которых присутствуют торфяные залежи).

Это объясняется тем, что поверхность торфяных болот гидрофобна и вода без добавления поверхностно-активных веществ не будет впитываться в торфяные залежи. Водные растворы смачивающих жидкостей используются для уменьшения пыли в шахтах.

Также гидрофилизация поверхности может быть необходима при нанесении светочувствительных материалов при проявлении фотографии.

Добыча нефти также невозможна без использования смачивающих поверхностей, которые получаются при использовании поверхностно-активных веществ.

Для улучшения степени добывания нефти из пород применяют заводнение контурное: в ряд скважин, которые окружают основную, начинает закачиваться вода, растворы поверхностно-активных веществ, которые способствуют улучшению смачивания поверхности пород водой.

Это способствует оттеснению нефти к основной скважине, и тем самым улучшается выход нефти. Также процесс смачивания поверхности применяется при приготовлении маслянистых красок, переводе некоторых пигментов в масляную фазу.

Процесс смачивания используется в приготовлении текстильных вспомогательных веществ, которые, в свою очередь, используются на многих стадиях переработки натуральных и синтетических волокон. В эти процессы входят отмывка сырой шерсти, смягчение тканевых покрытий.

Используют смачивание поверхности при нанесении рисунка на ткань, крашении ткани, также нанесении антистатической поверхности и гидрофобизирующих веществ на ткань, т. е. поверхности, которая препятствует электризации ткани и водоотталкиванию от ткани. Еще одним из основных способов применения процессов смачивания является процесс флотации, который используется для обогащения природных материалов.

Флотация является одним из главных методов обогащения полезных ископаемых, применяется также для очистки воды от органических веществ и твердых взвесей, разделения смесей, ускорения отстаивания в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и иных отраслях промышленности.

28. Разрушение и измельчение твердых тел как физико-химический процесс образования новой поверхности

Прочность твердых тел, как известно, значительно больше, чем прочность структур, которые образуются при сцеплении частиц между собой.

Прослойки отдельных сред в местах контактов твердых тел могут играть роль смазочного материала, который обеспечивает подвижность отдельных элементов. Материалы твердого строения с такой структурой обладают высокой пластичностью при небольших напряжениях сдвига.

Явление адсорбционного влияния среды на механические свойства и структуру твердых тел – эффект Ребиндера – было открыто П. А. Ребиндером в 1928 г. Сущность этого явления – в облегчении деформирования и разрушения твердых тел и самопроизвольном протекании в них структурных изменений в результате понижения их свободной поверхностной энергии при контакте со средой, содержащей вещества, способные к адсорбции на межфазной поверхности. Существует несколько факторов, установленных П. А. Ребиндером, для выяснения влияния на прочность твердых тел.

1. Химическая природа среды и твердого тела или характер сил, действующих между молекулами обеих фаз.

2. Реальная структура твердого тела может определяться количеством и характером дефектов, включая размер частиц.

3. Группа факторов, характеризующая условия поведения и разрушения твердого тела, определяется количеством и характером различных дефектов.

Часто разрушению твердых тел предшествуют трещины. Причем если размеры трещины больше критического значения, то это приводит к появлению макроскопической трещины и быстрому разрушению тела. Трещины, имеющие размеры меньше критических, могут уменьшать свои размеры, как говорят, «лечиться». Достаточный рост трещин разрушения твердых тел определяется кинетикой поступления жидкой фазы в трещину. При затвердевании жидкой фазы может практически полностью предотвращаться проявление адсорбционного эффекта прочности.

При повышении температуры происходит уменьшение интенсивности сохранения прочности твердого тела при измельчении молекулы.

Для твердых тел может проявляться эффект пластичности, что может быть связано не с понижением сопротивления пластическому течению, возникающему при увеличении прочности, и возможно при растворении (частично) твердых тел, содержащих дефекты поверхностного слоя.

Диспергирование твердых тел является одним из наиболее важных процессов современной техники. Также процесс диспергирования является одним их крупных масштабных явлений природы. Затраты энергии при протекании механического диспергирования твердых тел могут определяться механическими свойствами твердой фазы и требуемой дисперсностью продукта. Хорошо измельчаться могут только хрупкие материалы, а для пластических твердых веществ процесс диспергирования идет с большим трудом. Так, высокодисперсные золи различных металлов и некоторых видов сплавов в различных средах могут быть получены методом распыления, который является промежуточным способом по своей физико-химической природе между диспергированием и конденсацией. Этот метод позволяет получить золи щелочных металлов в органических растворителях, что невозможно в методе диспергирования, за счет сильного измельчения твердых тел, и при невозможности использования высоких разрядов. Важную роль в процессах диспергирования играет введение различных по природе и механизму действия поверхностно-активных веществ. Введение поверхностно-активных веществ может облегчать измельчение, но может препятствовать сцеплению частиц, образующихся при измельчении.

29. Условие самопроизвольного распространения трещин. Влияние ПАВ на механические свойства твердых тел

Часто разрушению твердых тел предшествуют трещины. Причем если размеры трещины больше критического значения, то это приводит к появлению макроскопической трещины и быстрому разрушению тела. Трещины, имеющие размеры меньше критических, могут уменьшать свои размеры, как говорят, «лечиться». Достаточный рост трещин разрушения твердых тел определяется кинетикой поступления жидкой фазы в трещину.

Поверхностно-активные вещества в равной степени могут как предотвращать трещины, так и увеличивать их. Впервые проблемой структурно-механического барьера занялся А. П. Ребиндер.

Он предположил, что этот барьер является неким сильным фактором стабилизации, который, в свою очередь, связан с образованием на границе раздела фаз адсорбционных слоев как низко– так и высокомолекулярных слоев поверхностно-активных веществ. Структура таких разных слоев способна обеспечить достаточно высокую устойчивость прослоек дисперсионной среды между частицами дисперсной фазы.

Структурно-механический барьер может возникать только при адсорбции молекул поверхностно-активных веществ. Такие молекулы не обязательно могут быть сильно активными на поверхности, но могут образовывать гелеобразный слой на межфазной границе. Такой слой может возникать в растворах ряда веществ при большой их концентрации (в белках, глюкозе). Эти вещества называют защитными коллоидами, т. е. высокомолекулярными соединениями, которые имеют области меньшей и большей гидрофильности. А. П. Ребиндер выделяет несколько условий, которые отвечают высокой эффективности структурно-механического барьера.

1. Наличие повышенной вязкости и достаточной механической прочности адсорбируемых слоев стабилизаторов. Для таких веществ характерна способность сопротивляться деформации и сильному разрушению в сочетании с достаточной подвижностью, которая может обеспечивать «залечивание» случайно возникающих дефектов слоя. Для систем, которые образованы твердыми частицами, условием высокой стабилизации может быть высокая прочность.

2. Лиофильность наружной части межфазного, или только адсорбционного слоя, которая связана с близкими значениями дисперсионной среды, способна обеспечивать плавность перехода от частиц дисперсной фазы к частицам дисперсионной среды.

Необходимым условием защиты межфазного слоя является его устойчивость, способность не вытесняться из зоны концентрации частиц под действием все тех же напряжений, которые способны возникать при соударении частиц.

Следовательно, для защиты слоя необходима достаточная прочность вязания с поверхностью частиц, или слой должен образовывать структуру, обладающую повышенной прочностью, и быть способным к быстрому восстановлению.

Было отмечено, что использование адсорбционных слоев малорастворимых поверхностно-активных веществ действительно обнаруживает высокую сопротивляемость вытеснению и может снижать энергию взаимодействия частиц на несколько порядков, что приводит к выравниванию ее значений до уровня полностью устойчивых систем.

Прочное закрепление молекул на твердой поверхности будет определять высокую прочность адсорбционных слоев.

Можно прийти к выводу, что структурно-механический барьер, обладает достаточно сложным фактором стабилизации или совокупностью ряда термодинамических, кинетических, структурных факторов.

30. Эффект Ребиндера. Основные особенности и формы проявления эффекта. Понижение прочности. Теория Гриффитса

Явление адсорбционного влияния среды на механические свойства и структуру твердых тел – эффект Ребиндера – было открыто академиком П. А. Ребиндером в 1928 г. При облегчении деформации и разрушения твердого тела и протекании в нем структурных изменений в результате понижения свободной поверхностной энергии, при контакте со средой, содержащей вещества, способные к адсорбции на поверхности, изменяются механические свойства тела. В зависимости от химической природы твердого тела и среды, условий деформирования и разрушения и структуры твердого тела эффект Ребиндера может проявляться в различных формах. Особенности эффекта Ребиндера:

1) действие сред весьма специфично: на каждый данный тип твердого тела действуют лишь некоторые определенные среды;

2) изменение механических свойств твердых тел можно наблюдать сразу после установления контакта со средой;

3) для проявления действия среды достаточно весьма малых ее количеств;

4) эффект Ребиндера проявляется при совместном действии среды и механических напряжений;

5) наблюдается своеобразная обратимость эффекта: после удаления среды механические свойства исходного материала восстанавливаются.

В этом состоит отличие эффекта Ребиндера от других случаев влияния среды на механические свойства твердых тел, в частности от процессов растворения и коррозии, когда разрушение тела под действием среды может происходить и в отсутствие механических напряжений. Адсорбционное понижение прочности (АПП) наблюдается в присутствии сред, вызывающих сильное снижение поверхностной энергии твердых тел. Наиболее сильные эффекты вызывают жидкие среды, близкие по молекулярной природе к твердому телу. Среди многочисленных сред одинаковой молекулярной природы значительное снижение прочности твердых тел часто вызывают вещества, образующие с твердым телом эвтектическую диаграмму с небольшой растворимостью в твердом состоянии; этому отвечает малая по величине положительная энергия смешения компонентов. В системах с малой интенсивностью взаимодействия компонентов (взаимной нерастворимостью) так же, как и в случае очень большого взаимного сродства, особенно если компоненты вступают в химическую реакцию, АПП обычно не наблюдается. При хрупком разрушении связь прочности Р с поверхностной энергией описывается уравнением Гриффитса:

где Е – модуль упругости твердого тела; l – характерный размер существующих в нем или возникающих при предварительном пластическом деформировании дефектов – зародышевых трещин разрушения.

В соответствии с соотношением Гриффитса отношение прочностей материала в присутствии среды (P

) и в отсутствие среды (P

) равно: P