KOLO II

Temat: Koagulacja zolu AgJ jonami amonu, baru i glinu.

Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy, roztwór koloidalny) – niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek (cząstki substancji rozproszonej odpowiadają rozmiarom cząstek koloidalnych).

Koloidami są np.: zanieczyszczenia w wodzie, powodujące jej mętność, śmietana, mleko, masło, białko kurze, galareta, żelatyna, mgła, smog, dym, kauczuk, skrobia, celuloza, mydła.

Klasyfikacja układów koloidowych:

Metody otrzymywania koloidów:

Budowa cząsteczki koloidalnej - cząstki koloidalne składają się z jądra oraz z warstwy adsorpcyjnej. Jądro skupia prawie całą masę cząsteczki i jest substancją stałą o strukturze krystalicznej. Z powierzchnią jądra związana jest warstwa adsorpcyjna (nazywana jonogenną). Jony tworzące tę warstwę są chemicznie związane z powierzchnią jądra (wbudowane w sieć krystaliczną) albo są na niej zaadsorbowane. W przypadku związków wielkocząsteczkowych ładunek elektryczny może być także wynikiem dysocjacji elektrolitycznej. Zewnętrzna powierzchnia kryształu tworzącego jądro, jest nośnikiem ujemnego ładunku powierzchniowego. Dlatego do powierzchni jądra, siłami elektrostatycznymi przyciągane są jony o przeciwnym znaku, zwane jonami kompensacyjnymi lub przeciwjonami. Część z nich jest trwale i nieruchomo związana z jądrem i stanowi warstwę adsorpcyjną. Warstwa ta wraz z jądrem tworzy cząstkę koloidalną, zwaną granulą. Pozostałe przeciwjony luźno otaczają cząsteczkę w postaci rozmytej chmury jonowej i noszą nazwę warstwy dyfuzyjnej. Jony te nie są trwale związane z cząstką koloidalną i wykazują pewną ruchliwość, rosnącą w miarę oddalania się od powierzchni cząstki. Granula wraz z zewnętrzną powłoką dyfuzyjną stanowi micelę koloidalną (cząsteczka koloidalna).

Zjawisko koagulacji:

Proces degradacji koloidu polegający na łączeniu się cząstek w większe agregaty. Jest ona wynikiem eliminacji ładunku elektrycznego (jednoimienne cząstki koloidalne przyciągają jony przeciwnie naładowane co powoduje zobojętnienie ich ładunku powierzchniowego ) lub wynikiem naruszenia otoczek solwatacyjnych. Przebieg koagulacji może ujawniać się poprzez zmętnienie, wytrącenie osadu, zmianę barwy. Podczas koagulacji następuje przejście zolu w żel. Jest to proces odwracalny. Na koagulację mogą mieć wpływ czynniki: ogrzewanie, mieszanie, dodanie elektrolitu o ładunku przeciwnym, naświetlanie radiochemiczne itp.

Wartość koagulacyjna – najmniejsze stężenie dodanego elektrolitu, wystarczające aby w określonym czasie nastapiła całkowita koagulacja zolu w żel. Wartość koagulacyjna wzrasta wraz ze wzrostem stężenia i ze spadkiem wartościowości kationu.

Wysalanie - jest jednym ze sposobów koagulacji koloidów liofilowych - strącanie białek z roztworów poprzez dodanie stężonego roztworu soli. Proces jest wynikiem zaburzenia otoczki solwatacyjnej i agregacji cząsteczek białek w wyniku łatwiejszego kontaktu pomiędzy polarnymi grupami sąsiadujących cząsteczek. Do wysalania stosuje się sole metalu lekkiego (np. KCl) lub amonu, np. siarczanu amonu. Proces ten jest przejściem zolu w żel (koagulacja), nie narusza struktury białka (także czwarto- i trzeciorzędowej) i jest odwracalny (nie powoduje denaturacji). Białko najłatwiej wysolić w pH równym jego punktowi izoelektrycznemu.

Denaturacja białka - zmiany struktury cząsteczki białkowej spowodowane zniszczeniem wiązań stabilizujących struktury II-, III- i IV-rzędowe białka. Białka o tak zmienionej strukturze są zwykle trudniej rozpuszczalne w wodzie i dlatego najczęściej białko zdenaturowane wytrąca się z roztworu. Proces denaturacji białka jest praktycznie nieodwracalny.

Rozpraszanie światła w układach koloidalnych:

Rozpraszanie światła - wzajemne oddziaływanie na siebie światła i materii prowadzące do zjawiska nieuporządkowanej, częściowej zmiany kierunku rozchodzenia się światła, obserwowanego jako świecenie ośrodka rozpraszającego.

Efekt Tyndalla to zjawisko fizyczne polegające na rozpraszaniu światła przez koloid z

wytworzeniem charakterystycznego stożka świetlnego nazwanego efektem (zjawiskiem)

Tyndalla. Jeżeli przez roztwór koloidalny przepuści się wiązkę światła, to wskutek uginania się promieni na cząstkach fazy rozproszonej, światło staje się widoczne w postaci tzw. stożka

Tyndalla. Intensywność tego zjawiska jest tym większa, im większa jest różnica między

współczynnikiem załamania fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego.

Temat : Wyznaczanie średniej masy cząsteczkowej alkoholu poliwinylowego metodą wiskozymetryczną.

LEPKOŚĆ CIECZY

Lepkość cieczy - opór podczas przesuwania się jednych warstw cieczy względem drugich. Aby wprowadzić ciecz w ruch należy użyć siły F. Najszybciej porusza się ta warstwa, do której przyłożona jest siła.

F= η * s * dv/dx

F - siła

S - powierzchnia

η - współczynnik lepkości

Jednostką lepkości w układzie SI jest paskalosekunda [ Pa*s], natomiast w układzie CGS - puaz (P).

Odwrotność lepkości nazywa się płynnością.

Rodzaje lepkości:

Wzór: $\mu = \frac{T}{\gamma}$

Jednostką lepkości dynamicznej w układzie SI jest paskal·sekunda o wymiarze kilogram·metr−1·sekunda−1

układzie CGS jednostką lepkości dynamicznej jest puaz (P).

Lepkość kinematyczną w układzie SI wyraża się w m2·s−1.

W układzie CGS jednostką lepkości kinematycznej jest stokes: 1 St = 1 cm2·s−1

Wpływ temperatury na lepkość cieczy:

Wzrost temperatury cieczy powoduje wzrost energii kinetycznej cząsteczki, a cząsteczki o zwiększonej energii łatwiej pokonują siły przyciągania cząsteczek sąsiednich, stąd też ze wzrostem temperatury, poza nielicznymi wyjątkami, lepkość cieczy maleje.

LEPKOŚĆ ROZTWORÓW

Lepkość względna - stosunek lepkości dynamicznej badanej cieczy do lepkości cieczy wzorcowej (najczęściej wody); jest to wielkość bezwymiarowa.

Lepkość właściwa - stosunek lepkości cieczy do lepkości rozpuszczalnika. Pojęcie odnosi się do roztworu.

Graniczna liczba lepkości:

Ma wymiar g/cm3. Lepkość zredukowana zależy od stężenia polimeru. Gdy stężenie c dąży do zera, lepkość zredukowana osiąga wartość graniczną, zwaną graniczną liczbą lepkościową [η]:

Graniczna liczba lepkościowa [η] zleży od objętości właściwej polimeru, natomiast objętość właściwa polimeru zależy od jego średniej masy cząsteczkowej i oddziaływań polimer – rozpuszczalnik. Zależność pomiędzy graniczną liczbą lepkościową [η] i masą cząsteczkową polimeru Mη wyraża równanie Marka – Houwinka:

w którym parametry K oraz α są wielkościami charakterystycznymi dla danego układu polimer - rozpuszczalnik.

Metody wyznaczania lepkości:

Masa cząsteczkowa koloidów.

Rozważmy układ koloidalny, jednopostaciowy, polidyspersyjny, w którym występuje „i” różnych rodzajów wielkości cząstek koloidalnych; każda o masie cząsteczkowej Mi. Niech liczba cząsteczek koloidalnych o masie Mi wynosi ni. Całkowita masa wszystkich cząstek koloidalnych m wynosi:

m = n1M1 + n2M2+ … + niMi = ΣniMi

Oznaczymy liczbę wszystkich cząstek koloidalnych przez n:

N = n1 + n2 +… + ni = Σni

Dzieląc całkowitą masę cząstek koloidalnych przez ich liczbą, otrzymujemy tzw. średnią liczbowo masę cząsteczkową Mn:

Zasada wyznaczania średniej masy cząsteczkowej metodą wiskozymetryczną:

Wiskozymestr Ostwalda - rurka szklana, wygięta w kształcie litery „U”, z dwoma zbiorniczkami, umieszczonymi na dwóch różnych poziomach. Pomiędzy tymi zbiorniczkami rurka jest kapilarnie przewężona na odcinku kilku centymetrów. Objętość cieczy w górnym zbiorniczku jest oznaczona dwiema kreskami „a” i „b”. Przed rozpoczęciem pomiaru wiskozymetr należy starannie wymyć ciepłą wodą z dodatkiem płynu odtłuszczającego, następnie wypłukać wodą destylowaną oraz badaną cieczą. Następnie wiskozymetr należy umocować pionowo w statywie, napełnić badaną cieczą (woda, wodny roztwór gliceryny) za pomocą pipety, biorąc taką jej objętość, aby po jej zassaniu do zbiorniczka w ramieniu B jeden menisk znajdował się w dolnej części zbiorniczka 1, natomiast drugi menisk (górny) był powyżej poziomu „a”. Należy zwrócić uwagę, aby w cieczy znajdującej się w wiskozymetrze nie było pęcherzyków powietrza! Następnie wiskozymetr zanurzamy w zlewce z wodą, pilnując aby był umieszczony pionowo w statywie. W zlewce z wodą umieszczamy termometr i rozpoczynamy podgrzewanie całego naczynia na palniku gazowym. Po upływie kilku minut od ustalenia się żądanej temperatury wody w naczyniu rozpoczynamy pomiary. W tym celu za pomocą gumowej gruszki i wężyka, zamocowanego do ramienia A przyrządu, przepompowujemy ciecz ze zbiornika „1” w ramieniu A do ramienia B, powyżej poziomu „a”. Po odłączeniu gruszki, rozpoczynamy obserwację górnego menisku cieczy. W chwili, gdy menisk zrówna się z kreską „a” zaczynamy mierzyć czas. Pomiar kończymy, gdy menisk zrówna się z kreską „b”. Czasy wpływu cieczy . Pomiar dla każdej temperatury powtarzamy co najmniej trzykrotnie, po czym wyliczamy średnią arytmetyczną czasu przepływu.

Metoda opiera się na pomiarze prędkości swobodnego opadania w cieczy kulki o znanej gęstości lub promieniu. Jeżeli kulka porusza się ze stałą prędkością to opór jakiego doznaje wskutek tarcia wewnętrznego cieczy wyraża równanie:

F=6П*r*ŋ *v

Podczas opadania kulki działają na nią trzy siły: A- siłą wyporu, Q- ciężar kulki, F- tarcie wewnętrzne. W myśl prawa Archimedesa parcie cieczy jest równe ciężarowi wypartej objętości cieczy:

A = 4/3 Пr3*d*g

Siła ciężkości równa się ciężarowi Q pomniejszonemu o parcie A:

Q - A = 4/3 Пr3 (dk-dc)*g.

Gdzie: dk i dc to gęstości kulki i cieczy.

Jeżeli za prędkości kulki przyjmujemy v = s/t to:

ŋ = k (dk-dc) t.

Gdzie k to stała równa: k = (2r2 *g)/9s.

Metoda oparta na pomiarze przepływu badanej cieczy przez kapilary wykorzystuje zjawisko powolnego wpływu cieczy pod wpływem różnicy ciśnień.

V = (Пr4*Δp*t)/8*ŋ *1

Gdzie:

V – objętość cieczy

t – czas przepływu

l – długość rurki

r – promień rurki

p – różnica ciśnień na końcach rurki

Po obliczeniu różnicy ciśnień ze wzoru: Δp = (hl – h2)/2*d*g, mamy:

ŋ = [(Пr4*t)/8*v*l] * (h1-h2)/2*d*g.

Trudne jest wyznaczanie lepkości bezwzględnej, więc po przekształceniu wzoru obliczamy lepkość względną:

ŋ1 = (d1*t1)/(d2*t2) * ŋ2

Gdzie indeks 1 odnosi się do cieczy badanej, a 2 do cieczy wzorcowej.

Temat: Wyznaczanie izotermy adsorpcji. Adsorpcja kwasu węglowego na węglu aktywnym.

Adsorpcja — to proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych, powodujący lokalne zmiany stężenia. Biorąc pod uwagę rodzaj graniczących faz możemy rozpatrywać proces adsorpcji w następujących układach:

O własnościach adsorpcyjnych decydują:

Adsorbent - to ciało, na powierzchni którego zachodzi proces adsorpcji:

Adsorbat - to substancja, która może być wiązana na powierzchni adsorbentu.

Izoterma adsorpcji to związek ilości zaadsorbowanej substancji i stężenia lub ciśnienia adsorbatu przy ustalonej temperaturze. Najczęściej określenie to jest rozumiane jako równanie izotermy adsorpcji, a czasami jako model fizyczny odpowiadający określonemu równaniu. Izoterma adsorpcji jest podstawową porównawczą charakterystyką różnych typów adsorberów i określa optymalny wybór roboczych warunków procesu.

Rodzaje adsorpcji:

Podstawowe teorie adsorpcji:

Teoria Langmuira:

Na powierzchni adsorbentu znajduje się określona liczba miejsc aktywnych (proporcjonalna do wielkości powierzchni). Na każdym z tych miejsc może zaadsorbować się tylko jedna cząsteczka adsorbatu. Wiązanie z adsorbentem może być chemiczne lub fizyczne, lecz dostatecznie silne, aby zaadsorbowane cząsteczki nie przemieszczały się po powierzchni. Teoria ta opiera się na założeniu, że warstwa adsorpcyjna jest monomolekularna (przy całkowitym pokryciu powierzchni liczba zaadsorbowanych cząsteczek nie może przewyższyć liczby miejsc aktywnych). Monomolekularna warstwa adsorpcyjna ekranuje całkowicie działanie sił adsorpcyjnych, co uniemożliwia powstanie następnej warstwy.

Teoria wielocząsteczkowej warstwy adsorpcyjnej:

Głównym założeniem jest, że siły adsorpcyjne działają na odległościach znacznie. Przewyższających wymiary pojedynczej cząsteczki i nie są one ekranowane przez pierwszą warstwę adsorbatu. Warstwa adsorpcyjna ma charakter dyfuzyjny i jej gęstość zmienia się wzależności od odległości od powierzchni.

Izoterma adsorpcji – krzywa wyznaczająca stosunek ilości substancji adsorbującej jednostkę masy do stężenia (lub ilość zaadsorbowanego ciśnienia do ustalonej temperatury):


$$\frac{x}{m} = f\left( p \right)T = \text{const}$$

x – ilość substancji zaadsorbowanej

m - masa

Izoterma Langmuira - ta podstawowa izoterma adsorpcji zakłada, że adsorbat może tworzyć na powierzchni adsorbentu monowarstwę cząsteczek oddziaływających z miejscami adsorpcyjnymi (oddziaływanie "pionowe") a nie oddziałującymi (albo słabo oddziałującymi) ze sobą (oddziaływania "poziome"). Cząsteczki adsorbatu obecne w fazie gazowej uderzają w powierzchnię - prawdopodobieństwo zaadsorbowania rośnie wraz z dostępną wolną powierzchnią. Zaadsorbowane cząsteczki charakteryzuje pewne prawdopodobieństwo desorpcji - procesu przeciwnego do adsorpcji. Oba prawdopodobieństwa zależą od temperatury i wielkości energii adsorpcji. Wraz z ciśnieniem rośnie częstość uderzeń cząsteczek w powierzchnię, a wraz z ilością zaadsorbowanych cząsteczek maleje dostępna powierzchnia.

Założenia równania:

Równanie izotermy Langmuira:

 

gdzie:

a - adsorpcja rzeczywista,

am - wielkość adsorpcji odpowiadająca zapełnieniu monowarstwy,

K – stała równowagi adsorpcji,

p - ciśnienie adsorbatu

Izoterma Freundlicha:

Jeżeli cząsteczki w warstwie adsorpcyjnej wykazują pewną ruchliwość na powierzchni, to najpierw zostają wysycane te centra adsorpcji, które charakteryzują się najwyższą energią adsorpcji. W dalszej kolejności obsadzane są centra o coraz mniejszej energii. Zmienność ciepła adsorpcji może być również spowodowana wzajemnym oddziaływaniem pomiędzy zaadsorbowanymi cząsteczkami. Gdy energia adsorpcji maleje liniowo z logarytmem liczby zaadsorbowanych cząsteczek, równanie izotermy, przyjmuje postać:

Gdzie:

v - objętość zaadsorbowanego gazu

p - ciśnienie gazu

k, n - stałe

Jest to równanie Freundlicha. Zostało ono początkowo wprowadzone jako równanie empiryczne i jest często stosowane do opisywania wyników doświadczalnych. Jeżeli izotermy opisują zjawisko adsorpcji w fazie gazowej, w równaniach wykorzystywane jest ciśnienie gazu, natomiast przy adsorpcji z roztworów wykorzystywane jest stężenie adsorbatu.

Gdzie:

a - ilość zaadsorbowanej substancji na 1g adsorbentu

c - stężenie adsorbowanej substancji

k, n - stałe

W praktyce wykorzystuje się zlogarytmowaną postać równania:

Liniowa zależność log a od log c pozwala na łatwe wyznaczenie stałych występujących w równaniu. Można zrobić to metodą graficzną wykreślając zależność log a = f (log c). Parametr n jest współczynnikiem kierunkowym prostej, natomiast log k jest wartością, przy której prosta przecina oś y (dla x = 0).

log a

P2 (x2,y2)

log k P1 (x1,y1)

0 log c

Wykres zlogarytmowanej postaci izotermy adsorpcji Freundlicha. Sposób odczytu wartości parametrów n i log k. P1, P2 – dwa dowolnie wybrane punkty na prostej.

Izoterma BET czyli izoterma Brunauera, Emmetta i Tellera to prosty model adsorpcji wielowarstwowej z fazy gazowej. W modelu zakłada się, że cząsteczki adsorbatu adsorbują się na powierzchni adsorbentu w sposób zlokalizowany, dzięki oddziaływaniom adsorbat-adsorbent. Na zaadsorbowanych cząsteczkach dzięki oddziaływaniom adsorbat-adsorbat (określonym poprzez wielkość ciepła skraplania adsorbatu) mogą się "pionowo" adsorbować kolejne cząsteczki adsorbatu itd. Tak sformułowany model z reguły przewiduje adsorpcję wyższą niż obserwowana doświadczalnie.

Równanie izotermy BET dla n - warstw adsorbatu:

gdzie:

n - maksymalna ilość warstw tworzących się przy adsorpcji

am - pojemność monowarstwy

K - stała równowagi adsorpcji


Wyszukiwarka