Коллоидты ерітінділерді тазалау
Мазмұны
Алғы
сөз ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3
І тарау
КОЛЛОИДТЫ ЖҮЙЕ
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ...4
§1. Коллоидты жүйе туралы
түсінік ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... 4
§2. Меншікті
бет ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ...11
§3. Дисперсті жүйенің
жіктелуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ...13
ІІ тарау
БЕТТІК ҚҰБЫЛЫСТАР МЕН
АДСОРБЦИЯ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 16
§1. Беттік
керілу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ..1 6
§2. Фазаның жанасу шегіндегі бос
энергия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .17
§3. Адсорбциялық құбылыстың жалпы
сипаттамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19
§4. Катты дене газ шегіндегі
адсорбция ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...2
1
§5. Адсорбция
изотермасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... .25
§6. Сұйық – газ жанасу шегіндегі
адсорбция ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..28
§7. Қатты дене – сұйық жанасу шегіндегі
адсорбция ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ..32
§8. Адсорбция түрлері мен
теориясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
..35
III тарау
МОЛЕКУЛА - КИНЕТИКАЛЫҚ
ҚАСИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 39
§1 Броундық
қозғалыс ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... .39
§2 Диффузия және
флуктуация ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... .41
§3 Осмос
қысымы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... 42
§4Седиментация ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...43
IV тарау
КОЛЛОИДТЫ СИСТЕМАЛАРДЫ АЛУ ЖӘНЕ ТАЗАЛАУ ... ... ... ... ... ... ... .5 7
§1 Коллоидты – дисперсті системаларды
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 57
§2 Коллоидты системаларды
тазарту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
.61
V тарау
КОАГУЛЯЦИЯ ЖӘНЕ
ТҰРАҚТАНДЫРУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 63
§ 1 Коллоидты ерітінділердің
коагуляциясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .63
§2 Ұю
кинетикасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... 65
§3 Коллоидтардың
тұрақтылығы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... 67
§4 Ұюдың
түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... .70
VI тарау
ҚҰРЫЛЫМДАНУ ЖӘНЕ МИКРОГЕТЕРОГЕНДІ ЖҮЙЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ...73
§1 Құрылымдану және
реология ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ..73
§2Суспензиялар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 77
§3
Эмульсиялар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..78
§4
Көбіктер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..83
§5
Аэрозольдер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..87
§6
Ұнтақтар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .91
VII тарау
КОЛЛОИДТЫ
БАЗ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ..93
§1 Коллоидты БАЗ
түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ..93
§2 Коллоидты БАЗ ерітінділерінің
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... .. ... ... ... ... ... 95
§3 Тұрақтандыру және
солюбилизация ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
...97
§4 Коллоидты
ерітінділер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... .. 99
§ 5 Коллоидты ерітінділердің оптикалық
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ..139
§ 6 Коллоидты ерітінділердің
тұтқырлығы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 150
VIII тарау
ЛАБОРАТОРИЯЛЫҚ ЖҰМЫСТАР
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .156
№1 Сұйықтың толық беттік энергиясын
анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .156
№2 Қатты дене - ерітінді арасындағы
адсорбция ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..158
№3 Қатты дене мен электролит емес қос ерітінді арасындағы адсорбцияны
зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...159
№4Қатты адсорбенттегі ерітіндіден БАЗ адсорбциясын
зерттеу ... ... ... ... ... ...161
№5 БАЗ беткі қабат белсенділігіне олардың молекулалық құрылыс әсерін
зерттеу. Адсорбциялық қабат өлшемін
анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...162
№6 Коллоидты жүйе. Коллоидты жүйені
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...164
№7 Дисперсті
жүйе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... .166
№8 Темір гидроксиді гидролизінің ұюы мен тұрақтануын
зерттеу ... ... ... ... ...169
№9 Зольдерді пептизация әдісімен алу және
тазалау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .171
№10 БАЗ ерітінділеріндегі мицелла түзілуін
зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..172
№11 Амфотерлік полиэлектролиттің изоэлектрлік нүктесін
анықтау ... ... ... ..174
№12 ЖМҚ молекулалық салмағын
анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .176
№13 Жоғары молекулалық заттың
ісінуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...178
№14
Эмульсиялар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ..1 79
№15 Эмульсияны алып, қасиетін зерттеу.
Ісіну ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 181
№16 Зольдерді алу және олардың кейбір
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ..185
№17 Коллоидты ерітінділерді гидролиз әдісімен
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .187
№18 Коллоидты ерітінділерді алудың ерекшеліктері және алмастыру
әдісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .188
№19 Коллоидты ерітінділерді алудың пептизация
әдісі ... ... ... ... ... ... ... .. ... ...188
№20 Коллоидты системалардың тұрақтылығы және
коагуляциясы ... ... ... ... .189
№21 Көбіктердің қасиеттері және оларды
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..193
№22 Аэрозольдардың
түзілуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... 194
№23 Хроматографиялық
адсорбция ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
...197
№24 Гиббс адсорбцияның
изотермі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
..200
№25 Иониттердің алмасу қабілетін
үйрену ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...202
№26 Суспензияның седиментациялық
анализі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .202
№27
Гельдер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .204
№28 Конденсациялау әдісі.
Күкірт ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
..207
№29.Коллоидты ерітінділерді алуға әсер ететін заттардың
концентрациясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..207
№30 Гидрофильді зольдер алу және олардың кейбір
қасиеттері ... ... ... ... ... ...20 8
№31 Коллоидты ерітінділерді
тазалау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...209
№32 Зольдерді
диализдеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... 212
№33 Коллоидты системалардық оптикалық
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... .. 213
№34
Тұтқырлық ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... .215
№35 Капиллярлы вискозиметр көмегімен тұтқырлықты
анықтау ... ... ... ... ... .218
№36 Тұтқырлық ортада шариктің
түсуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .220
Коллоидтық химия бойынша ұсынылатын лабораториялық жұмыстар ... ... ... ..
тізімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 222
Тест
тапсырмалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... ... ... .22 4
Қосымша
кестелер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... ... ...249
Бақылау
сұрақтары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ...259
Типтік бағдарлама бойынша қаралатын
тақырыптар ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... .261
Семинар сабақтардың
тақырыптары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
..264
Студенттердің оқытушы қатысуымен орындауға ұсынылған өзіндік жұмыстардың
тақырыптары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ..264
Студенттердің өзіндік жұмыстарына арналған
тақырыптар ... ... ... ... ... ... . ... ..265
Студенттердің өзіндік жұмыстарына
сұрақтар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .265
Студенттердің өздігінен дайындалатын
тақырыптары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 271
Әдебиеттер мен ақпарат алу көздерінің
тізімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...273
Мазмұны ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...275
КОЛЛОИДТЫ ЖҮЙЕ
Коллоидты жүйе туралы түсінік
Коллоидты жүйе туралы зерттеулерді итальян оқымыстысы Ф Сельми 1845
жылы жүргізді.Ол белгілі көлемдегі суда таралған күкірт, хлорлы күміс,
берлин көкшіл бояуы сияқты жүйелерді зерттеді. Ол басқа мысалы ас тұзы
ерітіндісіне қарағанда бұл ерітінділердің бөлшектерінің үлкен ірілеу екенін
байқады. Ал 1861 жылы Томас Грэм коллоидты химияның дамуы үшін өте маңызды
зерттеулер жүргізіп, дисперсті жүйені диффузия жылдамдығына қарап, жақсы
және нашар еритін диффузияланушы деп екі класқа бөлді. Оларды крисаллоидтар
және коллоидтар деп атады. Т.Грэм кристаллоид пен коллоидты бір-бірінен
бөліп алу әдісін ашты және бұл әдісті диализ деп атады. Бір зат өте майда
түрде дисперсті фаза басқа бір зат дисперсті ортада көлемінде біріңғай
таралса, ол жүйені дисперстік жүйе дейді.
Дисперстік фаза мөлшеріне орай ірі және майда дисперсті жүйе
болады.Егер бөлшекткрдің мөлшері 10 -3-10 -5см болса, оларды ірі дисперстік
жүйе дейді. Оларға суспензиялар (қс), эмулсиялар (сс) және көбіктер
жатады. Дисперсті фазаның бөлшектерінің мөлшері 10 -5-10 -7см болса, майда
дисперстік жүйе дейді. Оларды коллоид ерітінділер немесе зольдер дейді.
Зольдерді диспергирлеу (майдалау)және конденсациялауұлғайту әдістерімен
алады.Екі жағдайда да дисперстік фаза дисперстік ортада ерімеуі тиіс.
Зольдің құрамында дисперстік фазаның бөлшектері үлкен агрегаттарға
бірікпеуі үшін арнайы зат- стабилизатор қосады. Золь арқылы суспензия мен
эмульсия арқылы да сәуле өткізгенде жарқыраған конус байқалады. Оны
Тиндаль конусы дейді.Бұл дисперсті жүйенің гетерогенділігін көрсетеді және
дисперсті фаза бөлшектерінің сәулені шағылыстыруынан болады. Зольдің
дисперстік фаза бөлшектерінің мөлшерлері өте кішілігіне 10 -5-10 -7см
қарамастан, олардың құрылымы өте күрделі. Кальций карбонатының судағы золін
мысал ретінде алайық. Ол үшін мына реакцияны пайдаланамыз:
СаСl2 + Na2CO 3 = CaCО 3 + 2NaCl (1)
Стабилизатор ретінде кальций хлоридін аламыз- оны артық мөлшерде қосамыз.
СаСl2 → Са2+ + 2Сl-
(2)
Судағы ерімейтін кальций карбонаты,CaCО3 молекулалары бір-біріне жабысып,
болашақ бөлшек ядросын құра бастайды,алайда артық иондардың адсорбциясы
нәтижесінде ядроның әрі қарай өсуі тоқтайды. Мынадай ереже есте қалу керек:
кез келген қатты заттың бетіне кристалл торды толтыра алатын, яғни сол
беттік қабатпен ортақ атомдық топтары бар иондар алдымен адсорбцияланады.
Біздің мысалда беттік қабатқа Са2+ не CО3 2- иондары адсорбцияланады ,
алайда артық мөлшерде тек Са2+ ионы бар. Сондықтан Са2+ ионы беттік
қабатқа адсорбцияланады. Ядро бетіне адсорбцияланатын иондар потенциал
көрсеткіш деп аталады. Потенциал- көрсеткіш иондар ядроға жақсы тартылады
да, өзіне қарама- қарсы зарядты бізде-Сl- тартылады, оларды қарсы иондар
деп атайды. Қарсы иондардың біразы бетінде жақсы ұсталады, ал басқа бөлігі
диффузия нәтижесінде диффузиялық қабатта орналасады .
{[m CaCО3 • n Са2+• 2 n –х Сl --]2х+ •2х Сl --}0
ядро адсорбциялық қабаты диффузиялық қабаты
түйіршік (гранула)
мицелла
демек, адсорбциялық және диффузиялық қабаттарды артық мөлшерде алынған
электролиттер, яғни стабилизатор иондарын құрады. Сол сияқты күміс нитратын
мысал ретінде аламыз, және де АgNO3 артық алынғандағы AgI мицелласының
түзілуін көреміз.
1- СУРЕТ
Адсорбциялық қабатпен ядроны коллоид бөлшек немесе гранула дейді .
Түйіршік пен диффузиялық қабат қосылып мицелла түзеді. Әрқашан n х
болғандықтан коллоид бөлшектің заряды болады. Біздің мысалда оң заряд. Егер
кальций карбонаты, CaCО3 золін даярлау кезінде артық мөлшерде натрий
карбонаты, Na2CO3 ерітіндісі алынса, мицелла құрамы мынадай болады:
Na2CO3 →2Na ++ CO32- (3)
{[m CaCО3 • n СО32-• 2 n –х Na +]2х-•2х Na + }0
колоид бөлшектерде бірдей электр зарядының, гидрат қабатының және белгілі
броундық қозғалыстың болуы зольдің тұрақтылығын көрсетеді. Зольдің
тұрақтылығын белгілі бір жағдайда ғана сақталады. Жағдай өзгерген кезде
коллоид бөлшектердің бірігуі нәтижесінде золь бөлінеді. Осындай коллоид
бөлшектердің үлкен бөлшектерге айналуын коагуляция деп атайды. Коагуляция
жүрген сайын золь тұманданып, коллоид бөлшектер тұнбаға түсе бастайды.
Коллоид бөлшектердің тұнбаға түсу процесі седиментация деп аталады. Алайда
,практикада осы екі процесті үлкею мен тұну жай коагуляция дейміз. Әр
түрлі электролиттерде, араластыру, сілку, өте қатты қыздыру не суыту,
центрифугалау арқылы коагуляция тудыруға болады. Барлық жағдайда
коагуляцияның себебі бөлшектердің дисперстік ортамен байланысының әлсіреуі
болып табылады. Золь тұрақтылығының басты себебі электр заряды бір аттас
иондардың болуы, олар иондардың бірігуіне кедергі келтіреді. Сондықтан
коагуляциялау әдістері осы зарядтарды компенсациялауға, яғни электролит
қосуға негізделген. Зольге электролит қосқанда ерітіндідегі иондардың жалпы
концентрациясы артады, соған орай мицелланың көпшілігі диффузиялық
қабаттан адсобциялық қабатқа өтеді,соған орай бөлшектің заряды төмендейді.
Электрлік тебіліс күштері төмендеп, бөлшектер бір- бірімен бірігіп үлкен
бөлшектерге айналады. Сонымен, золь агрегаттық, содан соң кинетикалық
тұрақтылығын жояды үлкен бөлшектер тұнбаға түсе бастайды. Тұнбаны
коагулянт дейді. Коагуляцияны электролиттің коллоид бөлшек зарядына қарсы
заряды бар ионы тудырады. Иондар заряды өскен сайын оның коагуляциялық
қабілеті артады. Коагуляцияны электролит қоспасымен іске асыруға немесе
қарсы заряды бар екі зольдің өзара коагуляциясы арқылы жүргізуге болады.
Сольват қабығы шамалы лиофобтық зольдерді коагуляциялау жеңілірек. Олардың
тұнбалары ұнтақ не сулы қабыршықтар болады. Лиофильдік зольдерді
коагуляциялау қиын және көбінесе қоймалжың тұнба түзеді. Кейде барлық золь
тығыз массаға гельге айналады. Жаңадан түзілген гельдер қайтадан зольге
айнала алады. Бұл процесті пептизация, ал тудыратын затты пептизатор дейді.
Пептизаторлар көбінесе электролиттер бөлшектің бетіне адсорбцияланып,
олардың бір- біріне әсерін әлсіретеді, соның нәтижесінде агрегаттар ыдырап,
гель зольге айналады.
гель→золь ( пептизация)
золь→гель ( гельдің түзілуі)
Золь арқылы (суспензия мен эмульсия арқылы да( сәуле өткізгенде жарқырыған
конус байқалады. Оны Тиндаль конусы дейді. Бұл дисперсті жүйенің
гетерогенділігін көрсетеді және дисперсті фаза бөлшектерінің сәулені
шағылыстыруынан болады. Зольдің дисперстік фазасы бөлшектерінің мөлшерлері
өте кішілігіне (10-5-10-7см ( қарамастан , олардың құрылымы өте күрделі.
Кальций карбонатының судағы золін мысал ретінде алайық. Ол үшін мына
реакцияны пайдаланамыз :
CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl ( 4 )
Стабилизатор ретінде кальции хлоридін аламыз, оны артық мөлшерде қосамыз.
CaCl2 ( Ca 2++ 2Cl- (5)
Мицелла құрамы мынадай болады:
(a2CO3 ( 2Na ++ CO3 2- (6)
((mCaCO3 •CO3•2(n–x) Na+ ] •2xNa+(0
Коллоид бөлшектерде бірдей электр зарядының, гидрат қабатының және белгілі
қозғалыстың болуы зольдің тұрақтылығын көрсетеді.Зольдің тұрақтылығын
белгілі бір жағдайда ғана сақталады, ал жағдай өзгерген кезде коллоид
бөлшектердің айналуын коагуляция дейді .Коагуляция жүрген сайын золь
тұманданып, коллоид бөлшектер тұнбаға түсе бастайды.
Коллоид бөлшектердің тұнбаға түсу процесі седиментация деп аталады.Әр
түрлі электролиттерде, араластыру арқылы ұйытуға болады.
Суспензия- қатты дисперстік фазаның сұйық дисперстік ортада таралған
микрогетерогенді жүйе.Ондағы қатты бөлшектердің өлшемі 0,1 мкм10мкм.
Көбіктер-дисперсті фазасы газ, ал дисперсті ортасы сұйық болса сұйық көбік
,ал дисперсті ортасы қатты зат болса қатты көбік деп аталады.
Сонымен, зерттеулерді итальян оқымыстысы Ф. Сельми 1845 жылы
жүргізгені белгілі. Ол белгілі көлемдегі суда таралған хлорлы күміс,
күкірт, берлин көкшіл бояуы сияқты жүйелерді зерттеген. Осы заттардың суда
ерімейтіні және олардың белгілі бір жағдайларда шөгінді түрінде бөлінетіні
мәлім. Алайда Сельми алған жүйелер сырт көрінісі, мөлдірлігі жағынан судағы
ас тұзы мен мыс купоросының нағыз ерітінділері сияқты болып көрінетін. Бұл
аса төменгі концентрациядағы көрініс еді. Сонда да Сельми хлорлы күміс,
күкірт, берлин көкшіл бояуы мен су жүйелеріндегі бөлшектердің судағы ас
тұзы және мыс купоросының бөлшектеріндей майда емес, олардан гөрі ірілеу
екенін болжады.
Сельми тәжірибесін қайталаған Н. Нэгели хлорлы күміс, күкірт, берлин
көкшіл бояуына өздеріндей суда ерімейтін заттарды қосып, нағыз ерітінділер
қатарын көбейтіп салыстырады. Нағыз ерітінділердегі әр молекула жеке-жеке
жүрсе, хлорлы күміс, күкірттердің бірнеше молекуласы бірігіп, агрегат
түрінде болғандықтан ірілеу болады және олар өз салмағын көтере алмай
шөгінді түрінде тұнбаға түседі деген пікір айтады. Нэгели мұндай көп
молекуладан тұратын агрегаттарды басқа жекеленген молекуладан ажырата білу
мақсатымен оны мицелла деп, ал мицелласы бар жүйені зольдер деп атауды
ұсынды. Сонда мицелла дегеніміз бірнеше молекуланың топтасқан жиынтығы да,
золь осы мицелланың ерітіндісі екен. Бұл екі термин де ғылыми әдебиет пен
оқулықтарға берік енген.
1857жылы М.Фарадей белгілі көлемдегі суда біркелкі таралған
алтын золінен тұратын жүйені зерттейді. Мұндай жүйені ертедегі алхимиктер
судағы алтын тұзының ерітінділерін тотықсыздандыру арқылы алып, алтын
сусыны немесе алтын су деп атаған. Ал Фарадей болса, алтын золінің
оптикалық қасиеттерін зерттегенде, онда алтын өте ұсақ жекеленген күйінде
жүретінін анықтады.
1861жылы Томас Грэм коллоидты химияның дамуы үшін өте маңызды роль
атқаратын зерттеулер жүргізді. Ол барлық заттарды диффузия жылдамдығына
қарай жақсы және нашар диффузияланушы деп екі классқа бөлді. Жақсы
диффузияланушыларды кристаллоидтар, ал нашар диффузияланушыларды коллоидтар
деп атады. Сол сияқты Т.Грэм кристаллоид пен коллоидты бір-бірінен бөліп
алу әдісін ашты және ол бұл әдісті диализ деп атады. Бұл әдісте табиғатта
кездесетін кейбір жарғақ сияқты заттардан әзірленген жұқа пленканың өзі
арқылы нағыз ерітіндіні өткізіп, коллоидты ерітінділерді сүзгіден өткізбей
алып қалатын қасиеті пайдаланылған. Мысалы, Грэм өз тәжірибелерінде өгіз
қуығының қабығын пайдаланып, оны ас тұзы мыс сульфаты сияқты нағыз
ерітінділерге батырғанда, не оның ішіне әлгі ерітінділерді құйғанда, одан
ерітіндідегі иондар ешбір кедергісіз өте берген. Ал, бұл тәжірибені
коллоидты ерітінділермен, мысалы сол кезде жақсы белгілі хлорлы күміс,
күкірт, берлин осылайша Грэм коллоидты заттарды шектейтін және оны бөліп
сипаттайтын мүмкіндікті анықтады.
Т.Грэм диффузияны зерттеп, диализді қолданды және құрамында
органикалық заттары бар жүйелермен жұмыс істеді. Желатин, пектин, казеин,
гуммиарабиктің диффузия жылдамдығы нашар, әрі диализ кезінде жарғақты
мембранадан өтпейді. Олар кезінде желім жасауға жұмсалатын, сондықтан да
Т.Грэм латынның colla (желім) сөзі негізінде ғылым тіліне коллоид сөзін
енгізді. ХХ ғасырдың басында Р. Зигмонди, Ж. Перрен, Т. Сведберг және басқа
да ғалымдар жүргізген зерттеу жұмыстары коллоидты жүйе қасиетіне онда
таралған зат бөлшектерінің көлем өлшемі айтарлықтай әсер ететінін көрсетті.
Бөлшек шамасы броундық қозғалыстың интенсивтілігін, салмақ әсерінен олардың
шөгу қабілетін және коллоидты жүйенің оптикалық қасиетін анықтайды.
Коллоидты жүйелерді толық сипаттау үшін, оның қасиеті тек бөлшек
өлшеміне ғана функционалды тәуелділікте болады деген пікірдің
жеткіліксіздігін Н.П.Песков 1917 жылы көрсетті. Ол- бөлшек өлшемін
өзгеріссіз сақтай алатын коллоидты жүйенің қабілетін анықтайтын факторларды
ескергенде ғана мүмкін болатын жай. Бөлшек өлшемі олардың бір-біріне
жабысып, бірігуі нәтижесінде өзгереді және осы құбылысты коагуляция немесе
ұю дейді. Ұю процесіне қарсы тұратын қабілеттілік агрегаттық тұрақтылық
болады.
Коллоидты химияда фаза, жүйе, гомогенді және гетерогенді жүйелер
сияқты физхимиядағы түсініктер қолданылады. Дисперсті ортаны еріткішпен, ал
дисперсті фазаны еріген затпен, дисперсті жүйені ерітіндімен салыстыруға
болады.
Коллоидты химия қазір ғылыми-техникалық прогресте маңызды роль
атқарады. Коллоидты химиялық процестер болмаса, радиоэлектронды, тамақ және
жеңіл өнеркәсіптегі, құрылыс материалдарды, медициналық дәрі-дәрмектерді
өңдіру және онымен байланысты технологиялық операцияларды жүзеге асыру
мүмкін емес. Коллоидты химиядағы алғаш зерттелген ғылыми жұмыстар мен
әдістер қазір биохимия, биотехнология және биофизика секілді ғылым
салаларында кеңінен қолданылуда. Коллоидты химияны оқу, оны білу ғылым мен
техниканың көп саласындағы мамандар үшін өте қажет және маңызды.
Коллоид күйінің ерекшелігі. 1. Барлық коллоидты ерітінділердің сәуле
шашырату қабілеті болады (мұны опалесценциялау дейді). Бұл құбылысты
тәжірибе жүзінде жасап көруге болады. Ол үшін сәуле жолына линза қойып,
одан шыққан сәулені коллоидты ерітінді арқылы жіберсе, одан опалесценцияны
көруге болады. Мұны Тиндаль конусы дейді.
2. Нағыз ерітінділермен салыстырғанда коллоидты ерітінділердегі
диффузия жылдамдығы төмен.
3. Коллоидты ерітінділердің осмостық қысымы аз, кейде оларды байқау да
қиын. Демек, коллоидты ерітінділердегі диффузия жылдамдығы мен осмостық
қысымының төмен болуы ондағы еріген зат бөлшегінің нағыз ерітіндімен
салыстырғанда ірі екендігін көрсетеді. Расында да коллоидты ерітіндідегі
бөлшек ірі болған сайын оның диффузия кезіндегі қозғалысы қиындап,
жылдамдығы төмендейді, өйткені бөлшек іріленген сайын кедергі де арта
түседі. Сондай-ақ ондағы бөлшек өлшемі осмостық қысымға әсер етеді.
Берілген бірдей көлем мен тығыздықтағы екі ерітіндінің қайсысында бөлшек
ірілеу болса, сонда бөлшек саны аз болады. Ал осмостық қысым
концентрацияға, яғни бөлшек санына тікелей тәуелді.
4. Коллоидты ерітінділер диализге бейім, яғни онымен ерітіндіде бірге
еріген төменгі молекулалы заттарды жартылай өткізетін жарғақты пленкалар
көмегімен тазартуға болады. Мұндайда төменгі молекулалы заттар (нағыз
ерітінділер) жарғақ арқылы өтеді де, коллоидты ерітінділер қалып қояды.
5. Нағыз ерітінділер өте тұрақты, ал коллоидты ерітінділер тұрақсыз.
Олай болса, коллоидты бөлшектер болмашы ғана сыртқы әсер салдарынан
коагуляцияланады.
6. Коллоидты ерітінділер, әдетте, электрофорез құбылысына бейім. Бұл
құбылыс электр өрісіндегі коллоидты бөлшекті оң, не теріс электродқа
тасымалдаумен сипатталады.
Бірнеше ондаған жылдар бойы жүргізілген зерттеу жұмыстарының нәтижесін
топтастырып, тұжырымдап қарағанда, заттардың коллоидты күйі дегеніміз, ол
молекула емес, көптеген молекуладан жинақталған жекеленген агрегат түрінде
жүретін аса майда ұнтақталған, яғни жоғары дисперстелген жүзгінді
(дисперсті) түрі екен. Осы айтылғанды коллоидты жүйедегі коллоидты күйдің
анықтамасы ретінде қабылдай отырып, коллоидты жүйенің кәдімгі, яғни нағыз
ерітіндіден өзгешелігін көрсететін негізгі пікірлерді тұжырымдауға болады.
Коллоидты бөлшектер көптеген молекулалардан тұратындықтан да оларға
фазадағы термодинамика заңдылықтарын қолдануға болады. Кәдімгі ерітіндімен
салыстырғанда коллоидты ерітінді екі фазадан тұратын гетерогенді жүйе екен.
Әр коллоидты ерітінді гетерогенді жүйе болғандықтан, оның басты шарты бір
фазадағы заттың екінші фазадағы затта ерімеуі немесе нашар еруі.
Коллоидты химиядағы басты проблемалардың бірі - агрегаттық
тұрақсыздық. Бөлшектердің тұрақсыз болуының негізгі себептері
термодинамикалық және кинетикалық тұрғыдан түсіндіріледі. Коллоидты
жүйедегі агрегаттық тұрақсыздық жүйедегі фазааралық жанасу бетке
шоғырланған энергияның оң және айтарлықтай үлкен мәнде болуына байланысты
екен. Ол бос энергияға тең болғандықтан, мұндай жүйелердің бәрі де тұрақсыз
екені термодинамикадан белгілі. Бұл жайт коллоидты жүйелердің ұюына,
коагуляциялануына әкеледі. Мұндайда бөлшектер бір-біріне жанасып, бірігеді
және фазааралық беткі қабат азайып, жүйедегі бос энергия кемиді. Коллоидты
жүйенің күйін термодинамикалық тұрғыдан өте қарапайым әдіспен талқылауға
болады. Әйтсе де мұндай талқылау агрегаттық тұрақсыздықтың негізгі түпкі
мәнін ашпайды. Сол сияқты термодинамика жүйедегі бос энергия мен жүйенің
тұрақсыз күйде қанша уақыт болатынын және олардың арасындағы байланысты
көрсетпейді. Сондықтан да коллоидтық жүйенің агрегаттық күйі жайлы мәлімет
толық және нақтылы болу үшін термодинамикалық талқылау физикалық
кинетикамен толықтырылады.
Кинетикалық тұрғыдан коллоидты немесе микрогетерогенді жүйенің күйі
ондағы жекеленген бөлшектер арасындағы әсер етуші күштердің қатысымен
анықталады. Мұндай күштерге бөлшектердің тартылыс күші және коагуляцияға
кедергі болатын тебіліс күші жатады. Кейде тартылу күшін ілініс күші деп те
айтады. Бұл күш пен молекулааралық күштің тегі бірдей. Бөлшектер бір-
біріне жақындағанда олардың арасындағы күштің мәні артады. Жүйеде
кездесетін электролит иондарының фазааралық беткі қабатқа таңдамалы
адсорбциялануы нәтижесінде пайда болатын электр күштері де тебіліс күші
бола алады. Сондықтан да коллоидты жүйенің салыстырмалы тұрақтылығы
бөлшектердің өзара жақындай түсуіне қарсы тұра алатын тебіліс күшінің
жеткілікті не артық болуымен анықталады. Бұл көптеген коллоидты жүйенің
тұрақсыздығына қайшы келе бермейді, өйткені бөлшектер бір-біріне өте
жақындаған сәтте ондағы тартылыс күші тебіліс күшінен артық болады және
жекеленген екі бөлшекке энергетикалық тұрғыдан агрегат құрастыру тиімді.
Дисперсті орта, дисперсті фаза құрамы бірдей екі дисперсті жүйе алынды
делік. Бұл екі жүйенің айырмашылығы бірінші жүйедегі дисперсті фазада
кездесетін бөлшектер біркелкі де, екінші дисперсті фазадағы бөлшектер
бірдей болса да өлшемдерінің әр түрлілігінде. Бұл – бөлшектер айырмашылығын
диаметр, ұзындық, биіктік сияқты өлшемдермен шектеп көрсетуге арналған
мысал. Ал іс жүзінде коллоидты жүйедегі дисперсті фаза бөлшектердің өлшемі
әр түрлі болады. Мұндай жүйелерді салыстыру үшін меншікті (үлесті) бет
(беткі қабат ауданы) арқылы сипатталатын, Оствальд ұсынған дисперстік
дәреже қолданылады.
§2. Меншікті бет
Меншікті бет деп дисперсті фазаның көлемі не масса бірлігіне тиесілі
фазааралығының ауданын айтады. Егер дисперсті фазаның түрі бірдей куб
тәрізді болса, онда мұндай жүйенің меншікті беті келесі формула бойынша
есептеледі:
Sм = Sб Vб = 6а2а3 = 6а-1 (7)
мұндағы Sм – меншікті бет; Sб– бөлшектің беткі ауданы; Vб– бөлшектің
көлемі; а– куб қабырғасының ұзындығы.
Ал енді, жүйедегі дисперсті фазаның бөлшектері бірдей сфера (шар)
болса, онда меншікті бетті төмендегіше анықтайды:
Sм = SбVб = 4ïr243ïr3 = 3r = 6d = 6d–1 (8)
Мұндағы r- сфера радиусы, d– оның диаметрі.
Сондай-ақ, жүйедегі дисперсті фаза бірдей кез- келген формалы болса,
онда меншікті бетті келесі формуламен есептеуге болады:
Sм = Sб Vб = k 1a = ka-1 = kD (9)
мұндағы k- бөлшек түріне тәуелділік коэффициенті; a- бөлшек өлшемі; D-
фазаның дисперстілігі.
Дисперсті жүйе арасында меншікті беті жағынан алғанда коллоидты жүйе
ерекше жағдайда болады. Нағыз ерітінділерде меншікті бет болмайды. Сол
сияқты аса ірі дисперсті жүйелердің де меншікті беті бола бермейді. Тек
гетерогенді өте жоғары дисперсті жүйелерде ғана меншікті бет бар. Олай
болса меншікті бет бөлшек өлшеміне тәуелді екен. Ол бөлшек ұсақталған сайын
(мысалы, әр бөлшек екіге бөлінсе меншікті бет екі есе өседі) артады. Бұл 2-
суретте өрнектелген. Онда ордината осіне меншікті беттің, ал абсцисса осіне
бөлшек өлшемінің мәндерін орналастырса, онда бұл тәуелділіктің функционалды
байланысы қисық сызықпен өрнектеледі және ол Sм= f(a) = ka теңқабырғалы
гиперболаны кескіндейді. Оны төрт бөлікке бөлуге болады. Әуелі бір затты
алып бөлшектесе, суретте көрсетілген 1- ауданда болатын күйді алады. Мұнда
оның өлшемі үлкен де үлестік беті аз. Оны аса ірі дисперсті жүйе дейді.
Енді осы ірі дисперсті бөлшекті онан әрі ұсақтай түссе, әрбір бөлшек
бірнеше рет кішірейіп, оның үлесті беті арта түседі. Ол 2- аудан – мұны
микрогетерогенді (аса ұсақ дисперсті) жүйе деп атайды. Ал енді, осыны онан
да әрі ұсақтасақ, мысалы ондағы бөлшек өлшемі 10-5–10-7 см аралығында
болса, онда бұл 3 – бөлікті коллоидты жүйе дейді. Әрине, мұны онан да әрі
ұсақтайтын болсақ, онда суретте кескінделген 4- бөліктегі нағыз ерітінді
шығады. Мұндайда оның өлшемі нөлге ұмтылады да үлесті бет жоғалады.
2-сурет Меншікті беттің бөлшектердің мөлшеріне тәуелділігі
Ал осы жоғарыдағы шекаралар тек шартты ғана бөлінген. Әрбір зат
өзара және өзін қоршаған ортамен әрекеттеседі. Денелер құрамын зерттегенде,
олардың беткі қабаттарының жалпы және ерекше сипатын білу қажет. Ендеше
коллоидты күйдің негізгі және маңызды ерекшеліктері ондағы масса мен бос
энергияның басым көпшілігі осы фазааралық беткі қабатқа шоғырланғандығында
екен. Фазааралық беткі қабатқа орналасқан молекулалар тек көлемдік
өзгешелікте болып қана қоймай, олар өзара, бірінен-бірі бөлек мәнде болады.
Қатты заттың беттері теп-тегіс болмайды. Оның күш өрісі және оған
сәйкес беткі энергияның мәні әр түрлі болады; сондықтан да құрамы мен
үлесті беті бірдей болатын екі жүйені энергетикалық жағынан қарастырғанда,
олардың бірдей болмауы мүмкін және кәдімгі физикалық-химиялық жүйеден
коллоидты күйге ауысқанда, жүйенің қайталанбайтыны және оның өзіндік
ерекшелігі пайда болады. Мысалы, бәрі бірдей болатын активті көмірдің
үлгісін аса жетілген, барынша стандартты технологиялық процестердің өзінде
де қайталап алу мүмкіндігі өте сирек кездеседі.
Кәдімгі аса жоғары дисперсті жүйелердегі бос энергияның артық болуы
оны термодинамикалық тұрақсыз етеді. Одарға дисперстілікті азайту арқылы
осы бос энергияның кемітуге бағытталған өздігінен жүретін процестер тән.
Мұндайда жүйенің химиялық құрамы өзгермейді, олардың энергетикалық сипаты
және бұған сәйкес коллоидты-химиялық қасиетті өзгереді. Бұл қарастырылатын
жүйе, химиялық жүйемен салыстырғанда тұрақсыз өзгеріске бейім болады. Бұл –
коллоидты жүйенің басты ерекшеліктерінің бірі.
§3. Дисперсті жүйенің жіктелуі
Барлық ғылым не өңдіріс салалары сияқты коллоидты химия да өздерінде
кездесетін өзіндік ерекшеліктері мен қасиеттерге, өлшемдер мен
көрсеткіштерге орай жіктеле келіп, сұрыпталады. Ондағы қайсыбір қасиеттер
біріне-бірі ұқсас болғандықтан, олар өзара бірігіп кетеді. Мұны кеңістікте
орналасқан денемен де теңестіруге болады, өйткені осы дененің кеңістіктегі
нақтылы орнын табу үшін үш өлшемді координатаны не олардың проекциясын
пайдалану қажет. Демек, коллоидты жүйені сипаттау үшін оны әртүрлі қасиет,
ерекшелік тұрғысынан жіктеу керек. Енді осындай жіктеудің бірнешеуін
қарастырайық.
Дисперстілік. Дисперстілік бойынша немесе дисперсті жүйедегі дисперсті
фаза өлшемі бойынша, яғни дисперсті бөлшектің өлшемін, ұнтақтылығын
көрсететін өлшеміне орай бөлінеді: ірі дисперсті; жоғары дисперсті
(микрогетерогенді); коллоидты; молекулалық.
Мұндағы ірі дисперсті жүйенің бөлшектері сүзгіш қағаздан өтпейді,
кәдімгі микроскопта көрінеді, өзінен жеңіл ортада жүзгін ретінде аз уақыт
болып, тез отырады, ал өзінен ауырлау ортада жүзгін ретінде жүре береді.
Жүйе жоғары дисперсті болса, біршама тұрақты, бөлшегі ұсақтау, сүзгіш
қағаздан оңай өтсе де жартылай өткізгіштерден өтпейді, кәдімгі оптикалық
микроскопта көрінбейді, дисперсті ортада жүзгін ретінде ұзақ сақталады.
Агрегаттық күй. Белгілі үш агрегаттық күйге сәйкес дисперстік жүйені 9
түрге бөлуге болады (1-кесте). Әдетте әрбір түрді ондағы бос әріптерді
қысқартып, бөлшек алымына дисперсті фазаны, ал бөлшек бөліміне дисперсті
ортаны жазады.
Заттағы дисперсті фазаның дисперсті ортада шекті ерігіштігі—дисперсті
жүйенің пайда болуындағы қажетті жай. Мысалы, дисперсті гг жүйесіндегі
газдардың бір-бірінде шексіз еритіндігінен әдетте көріне бермейді.
№1– кесте. Үш агрегаттық күйге сәйкес дисперстік жүйенің түрлері
Диспер Диспер Жүйе
Реті орта Жүйе Түрі Мысал
фаза белгісі
қатты сұйық зольдер, жүзгін, металл
1. қс золі
2. сұйық сұйық жүзгіндер жүзгіндер
сс
3. газ сұйық эмульсиялар сүт, мұнай, май
гс
қатты қатты қ көбіктер, сабын көбігі
4. қ
5. сұйық қатты сқэмульсия минералдар,
6. газ қатты гққатты коллоид қорытпа
7. қатты газ қгерітіндісі топырақ, балшық
8. сұйық газ сгҚуыс дене, гель пемза, активті
капилляр, көмір
ксерогелдер
9. газ газ ггаэрозоль, шаң түтін,атмосфера, ауа
тұман, ауа
Жоғары дисперсті жүйелерді зольдер дейді және осыған орай дисперсті
ортаның сипатына сәйкес гидрозольдер, органикалық зольдер, аэрозольдер
болып бөлінеді. Ал ірі дисперсті жүйедегі қатты фазаның сұйық ортада
таралуын жүзгіндер (суспензиялар), ал фаза да, орта да сұйық болса, оны
эмульсиялар дейді.
Құрылым. Барлық дисперсті жүйелер құрылым жағынан еркін (бос)
дисперсті және біріккен (байланысқан) дисперсті болып бөлінеді. Еркін
дисперсті жүйе дегеніміз- дисперсті фаза мен дисперсті орта бірімен-бірі
өзара байланыспай әрқайсысы бос жүретін дисперсті жүйе. Оған жүзгіндер,
эмульсиялар, аэрозольдер мен жалпы зольдер жатады. Дисперсті фаза мен
дисперсті орта өзара берік байланысқан жүйелерді байланысқан дисперсті жүйе
дейді. Оған капиллярлі кеуек заттар, диафрагмалы денелер, жұқа пленка-
мембраналар, кәдімгі полимерлер, қатты ерітінді- қорытпалар жатады.
Фазааралық әрекет. Дисперсті фаза мен дисперсті ортадағы заттар
фазааралық беткі қабатта әрқашанда молекулааралық әсерлесу күшінің есебінен
әрекеттесіп жатады және мұндағы әрекеттесу дәрежесі әртүрлі болуы мүмкін.
Мінеки, осы әрекеттесу шамасына орай дисперсті жүйелер лиофильді және
лиофобты болып бөлінеді. Лиофильді жүйелер тобына жататын дисперсті
жүйедегі дисперсті фаза мен дисперсті орта өзара әрекеттеседі. Мұның
нәтижесінде жалпы химиядан белгілі сольватацияға (еріткіш су болғанда
гидротация) ұқсас, дисперсті фаза бөлшегінің айналасында дисперсті орта
бөлшектерімен қоршалған қабат пайда болады. Ал, лиофобты жүйелер тобына
енетін дисперсті фаза мен дисперсті ортадағы заттар өзара нашар
әрекеттеседі.
Фазалық өзгешелік. Жоғары молекулалық қосылыстардың ерітінділері
нағыз молекулалық ерітінді болса да оларға коллоидты күйдің көптеген
белгілері тән. Мысалы, жоғары молекулалық қосылыстар өздігінен ерігенде
әуелі жекеленген макромолекулаларға ыдырап бірфазалы, гомогенді, тұрақты
және қайтымды жүйе құрайды. Ал, дисперстілік жүйе қасиетіне едәуір әсер
ететіндіктен, жоғары молекулалық қосылыс ерітінділері жоғары дисперсті,
гетерогенді жүйелерге тән ортақ қасиеті болуы керек. Расында да жоғары
молекулалық қосылыс ерітінділері диффузия жылдамдығы, ультра сүзгіштен
өтпеуі, құрылымы, оптикалық, электрлік қасиеті тарапынан алғанда, олар
нағыз ерітіндіден гөрі коллоидты жүйеге жақын.
Дисперсті жүйелерді тағы да үлкен екі топқа бөлуге болады: жүзгіндер
(суспензиодтар) және молекулалық коллоидтар. Жүзгіндер дегеніміз өзін
қоршаған ортадан анық белгіленген физикалық шегі бар, атомдар немесе
молекулалардың бірігіп өз алдына жеке агрегат құраған бөлшектерден тұратын
жоғары дисперсті, гетерогенді жүйелер. Ал, молекулалық коллоидты жүйелер
дегеніміз, жеке кинетикалық өлшем ретінде болатын молекулалардың
сольваттануын өздігінен құрайтын, тұрақты және қайтымды бір фазалық
гомогенді жүйелер. Мұндағы ірімолекулалардың өлшемі коллоидтық дисперстілік
өлшеміне шамалас болады. Мінеки осы тұрғыдан алғанда жоғары молекулалық
қосылыс ерітінділері дисперсті молекулалық коллоидты жүйеге жатады, ал
олардың гомогенділігі беткі бос энергия, фазааралық шек жайлы ойлауға да
мүмкіндік қалдырмайды. Бұл да тек олардың өзіне ғана тән қасиет.
Коллоидты химияның орны. Химияның дамуында коллоидты жүйені зерттеу
үлкен орын алады. Молекулалық және иондық ерітінділер табиғат пен
техникадағы коллоидты ерітінділерден гөрі әлдеқайда сирек кездесетін
құбылыс. Сондықтан да өзімізді қоршаған табиғи әлеміндегі кездесетін сан
алуан құбылыстардың физикалық-химиялық процесін түсіну арқылы табиғаттың
барынша жалпылама және нақтылы заңдылығын табуда, коллоидты химияның да
заңдылықтарының орны ерекше.
Тамақ өнеркәсібінде кездесетін көптеген технологиялық процестер
коллоидты процестер. Мысалы, нан өңдірісіндегі қамырды илеп, оны даярлау
кездегі ісіну процесі және нан пісіру кезіндегі ұю мен коагуляция сияқты
процестердің бәрі де коллоидты жүйедегі құбылыстар. Сол сияқты маргарин,
шырын, майонез сияқтыларды әзірлеу ісі- эмульгирлеу процесіне сүйенеді.
Сондай-ақ сүт өңдірісіндегі айран, сүзбе, құрт, ірімшік, май, қаймақ
сияқтыларды алудың өзі тікелей коагуляция және ісінуге кері құбылыс
синерезис сияқтыларға негізделеді. Кондитер саласындағы көптеген кремдер
мен сан алуан конфеттерді, зефирлерді әзірлеу де коллоидты процестер арқылы
жүзеге асады. Тағам даярлаудағы пісіру, тұздау сияқты құбылыстардың бәрі
коагуляция немесе белоктың ыдырауы секілді процестер арқылы жүреді.
Қазір қоршаған ортаны сақтау, оны қорғау аса маңызды мәнге ие болып
отыр. Бұған ғасырымыздың 80-жылдары Біріккен Ұлттар Ұйым жариялаған Таза
судың онжылдығы атты шешімі дәлел. Оны әлемдегі ғалымдар ғасыр міндеті
деп те жүр. Нақ осы тұрғыдан алғанда, бұл міндетті атқару коллоидты химияға
көбірек тиесілі. Суды ластайтын заттар аса ірі, дисперсті, коллоидты және
молекулалы бөлшектер болып төртке бөлінеді. Олардың арасындағы біріншісі,
яғни аса ірілері тұну процесі кезінде бөлінсе, қалған үшеуі де коллоидты
химиядағы ұю, коагуляция, диффузия, сүзу сияқты процестер көмегімен
тазаланады.
II тарау
БЕТТІК ҚҰБЫЛЫСТАР МЕН АДСОРБЦИЯ
§ 1. Беттік керілу
Беттік керілу, оны анықтау әдістері физика курсында толық талданады.
Сондықтан да бұл тарауда сұйықтар мен қатты денелерде кездесетін беттік
керілу туралы қысқаша қарастырамыз. Беттік керілу бетке перпендикуляр
бағытта сұйық молекуласын ішке қарай тартатын ішкі қысым күшінің әсерінен
пайда болатын құбылыс. Ішкі қысым молекулалық әрекеттесу күштің нәтижесінде
пайда болатындықтан, оның мәні зат полюстілігіне тәуелді, яғни берілген
заттың полюстігі артқан сайын ішкі қысым да көбейеді. Мысалы, судың ішкі
қысымы 14800 атм., бензолдікі 3800 атм. Демек, бензолдан гөрі судың
полюстігі артық.
Ішкі қысым сұйықтың беткі қабатына орналасқан молекулаларды ішке
тартады және сұйықтың беттік шамасын (ауданын) барынша азайтуға,
кішірейтуге тырысады. Сұйықтың беттік мөлшерін азайтуға себепші болатын
барлық шектің бірлік өлшеміндегі ұзындығына әсер етуші күшті беттік керілу
күші немесе жай ғана беттік керілу дейді. Оның өлшем бірлігі – динсм және
бұл күш сұйық бетіне әрқашан перпендикуляр бағытталған. Сұйықтың беттік
қабатын көбейту үшін ішкі қысыммен байланысқан кедергіні жеңуге бағытталған
жұмыс жүргізу керек. Мұндағы қайтымды және изотермалық процестің бірлік
өлшеміндегі бетті тудыруға арналған жұмыс, осы беттің үлесті бос
энергиясына тең және ол эргсм2-пен өлшенеді. Ал, егер эрг-дин∙см екенін
еске алсақ, онда бір шаршы сантиметр бетті жасауға қажетті үлесті бос
энергия шамасы осы беттегі беттік керілу күшіне теңеледі екен (динсм).
Олай болса, осы айтылғанға орай беттің үлесті бос энергиясы беттік керілуге
тең; бұл екі шамада бір таңбамен (δ) өрнектеледі. Ескерте кететін бір жай,
беттік бос энергия жүйенің бір компанентті сұйық болғанда беттік керілу
күшіне теңеледі, яғни таза су, бензол, спирт, май сияқты жеке сұйықтардағы
беттік бос энергияның шамасы оның беттік керілу күшіне тең екен.
Фазааралық шектің беткі қабатында бос энергияның артық болуын әр
түрлі әдістер көмегімен дәлелдеуге болады. Мысалы, сұйық фазаның ішкі
ортасына орналасқан молекуланың өзін қоршаған молекулалармен әрекеттесу
күші орташа күшке айналады және ол күш өрісінің симметриялы болуына
байланысты нөлге теңеледі. Газ бен сұйық фазаларының арасындағы шекті
қабаттағы молекулалар газдан гөрі сұйық молекуласымен көбірек
әрекеттесетіндіктен, ондағы тең әсерлі күш сұйыққа қарай, яғни сұйық
фазаның беткі қабатына перпендикуляр бағытталады. Көлем өзгеріссіз қалатын
жағдайдағы беткі қабаттың ауданын көбейту молекулааралық ішкі күшке қарсы
жұмыс жүргізу кезінде фаза көлеміндегі молекулаларды беткі қабатқа
шығарады. Изотермалық жағдайда жүргізілетін бұл жұмыс беткі қабаттағы бос
энергияның артуына тең. Дәл осы сияқты қатты заттарды ұнтақтау кезінде де
ондағы байланыс үзіліп, әрбір бөлшек саны артқан сайын беткі қабатта
көбейеді және фазааралық беткі қабат артқандықтан, бос энергия жоғарлайды.
Мұндай беткі қабат ауданына сәйкес көбейіп отыратын бос энергия туралы ойды
кез келген фазааралық беткі қабаттарға пайдалануға болады.
3-сурет Адсорбция изотермасы
§ 2. Фазаның жанасу шегіндегі бос энергия
Бір фазаның екінші фазамен жанасу шегінде аса күшті дамыған қабаты бар
жүйелер үшін осы беттерде жүретін құ былыстардың мәні ерекше екенін
білеміз. Ғылыми зерттеулер мен тәжірибелер көрсетіп отырғандай, олардың
бәрі де берілген заттың табиғаты мен беткі қабаттың шамасына тәуелді.
Коллоидты ерітінділер жоғары дисперсті жүйедегі топқа жататындықтан,
олардың дисперсті фаза құрамындағы бөлшектердің беткі қабатынан жинақталған
үлкен беткі қабаты болады. Коллоидты жүйедегі бөлшектердің жинақталған
беткі қабатының қосынды ауданы жайлы ұғымды нақтылы түсіну мақсатымен, бір
текше сантиметр (1см3) қатты денені коллоидты өлшемге дейін ұсақтап, оның
ауданын есептейді. Ұсақтағанда, осы бөлшектердің қосынды массасы мен көлемі
өзгеріссіз қалып, беткі аудан қосындысы көбейеді. (2-кесте).
№2 – кесте Бөлшектердің қосынды массасы, көлемі және беткі аудан
қосындылары.
Қабырға Кубик Қосынды Үлесті Қабырға Кубик Қосынды Үлесті
Ұзындығы, саны бет, см2 бет, ұзындығы,1см саны бет, см2 бет,
1см см-1 см-1
1 1 6 6 1∙10-5 1∙1015 6∙105 6∙105
1∙10-1 1∙103 6∙101 6∙101 1∙10-6 1∙1018 6∙106
1∙10-2 1∙106 6∙102 1∙102 1∙10-7 1∙1021 6∙107 6∙106
1∙10-3 1∙109 6∙103 6∙103 1∙10-8 1∙1024 6∙108 6∙107
1∙10-4 1∙012 6∙104 – – - – 6∙108
Жоғары дисперсті гетерогенді жйедегі беттің кереметтей үлкеюі ондағы
беттік энергияның артуымен байланысты. Мысалы, берілген кез келген
бөлшектің энергия қорының шамасы Е делік. Од шама масса энергиясы (немесе
көлем энергиясы) Еm мен беттік энергиядан Еs тұрады:
E = Em+Es
(10)
Масса немесе көлем энергиясы Em=Km=KV тең, мұндағы m және V масса мен
көлем, К– пропорционалдылық коэффициенті. Кейде беттік бос энергия деп айта
беретін беттік энергия Es интенсивтілік факторы болып есептелетін беттік
керілу δ мен көлемдік (экстенсивті) фактор ретіндегі қосынды бет S шамалары
көбейтіндісіне тең:
Es = δS
(11)
(11) теңдеуді былайша жазуға болады:
E = KV +δS (12)
Бұл теңдеудің екі жағын да көлемге (V) бөлсек, көлемнің бірлік өлшеміне
тиесілі жалпы энергия қорын немесе беттік меншікті энергияны (Ev)
өрнектейтін формула шығады:
EV = Ev = KVV + δSV
(13)
немесе Ev = K + δSV
(14)
Бұл теңдеуден егер бөлшек көлемі (V) үлкен болса, онда теңдеудегі
екінші мүшенің мәні азаяды, оны ескермесе де болады, немесе дисперстілік
дәрежесі жоғарылаған сайын бөлшек көлемі кішірейе түседі де бөлшек
энергиясы негізінен беттік энергиямен байланысады.
Дисперсті фазаны онан әрі молекулаға немесе ионға дейін ұсақтаса,
онда мұның салдарынан фазадағы жанасу шегі жоғалып, беткі қабат жойылады.
Мұндайда (14) теңдеудің оң жағындағы екінші мүше мәні нөлге теңеледі.
Сондықтан да коллоидты- дисперсиялық жүйелерде өте үлкен мәндегі беттік бос
энергия болады. Өйткені олар тіпті аз концентрацияның өзінде де, мысалы,
концентрациясы 0,001% болатын бір литр коллоидты ерітіндідегі бөлшектердің
жанасу шегінің қосынды беті ондаған шаршы метрмен өлшенеді.
Термодинамиканың екінші заңына орай бос энергияның артық қоры болатын
жүйелердегі процестер осы энергия қорын төмендету бағытында өздігінен жүре
алады. Беттік энергия екі шаманың көбейтіндісі арқылы өрнектелгендіктен,
беттің бірлік өлшеміне тисілі энергия қоры азайғанда беттік энергияда азаюы
мүмкін. Коллоидты дисперсиялық бөлшектердің қосынды бетінің азаюы,
бөлшектердің бірігіп, өздігінен үлкеюіне әкеледі, яғни ол коагуляцияланады.
Сол сияқты беттік керілу күшінің азаюы дисперсті ортадағы атомдар мен
молекулалардың беткі қабатқа тартылу салдарынан болуы мүмкін.
§3 Адсорбциялық құбылыстың жалпы сипаттамасы
Берілген дененің (заттың) дисперстілік дәрежесі жоғарлаған сайын, ол
өзінің көбейген бетіне басқа дененің көп бөлшегін сіңіреді. Еріген немесе
газ қалпындағы заттардың қатты дене немесе сұйықтың бетіне өздігінен
жиналып, шоғырлана келіп, қоюлану құбылысын сорбция дейді. Әдетте өзіне
басқаны сіңіруші затты – сорбент, ал оған сіңірілетін затты сорбтив дейді.
Ал сорбцияға кері құбылысты десорбция дейді. Сорбтив бөлшектері сорбентке
қаншалықты терең сіңіуіне байланысты және ондағы пайда болатын өзара әсер
мен байланыс күшіне, табиғатына сәйкес сорбция құбылысын қарастырады. Егер
сіңіру дененің тек беткі қабатында жүретін болса, онда оны адсорбция дейді.
Мұнда да сіңіруші затты адсорбент, ал сіңірілетін затты адсорбтив дейді.
Сорбент пен сорбтив бөлшектерінің табиғаты мен өзара әрекеттесу
сипатына орай, сорбция құбылысын физикалық және химиялық деп бөледі.
Физикалық сорбция әлсіз және қайтымды. Ол тек молекулааралық, яғни ван-дер-
ваальстік күш әсерімен жүзеге асады. Ал химиялық сорбцияны көбіне
хемосорбция дейді және ол қайтымсыз, өйткені ол артық не бос валенттілік
арқылы іске асады. Хемосорбцияның өзі онан әрі жіктеле келіп, абсорбциялық
және адсорбциялық болып бөлінеді. Бұл бөлулер тек шартты ғана.
Капилляр (жіңішке түтікше) конденсациялы сорбциялық процестер деп
аталатын құбылыстың негізгі мәні тек сіңіруде ғана емес, мысалы, активті
көмірдің өз бойына газдар мен буларды сіңіретіні сияқты, жеңілдетілген
қатты қуыс сорбенттердің өз бойына конденсациялануымен де ерекше мәнде
болады. Капиллярлы конденсация ең әуелі оңай да жеңіл қысылатын (сығылатын)
газдарда жиі кездеседі.
Капиллярлық конденсация дегеніміз қатты дене (сорбент) қуысында бу
сияқты заттардың (сорбтивтердің) конденсациялануы. Конденсация құбылысы
температураға, бу серпімділігіне, капилляр диаметріне, қатты сорбенттің
беткі қабатының өзіне сұйық күйдегі сорбтивті жұқтыру қабілетіне
байланысты. Ондағы капилляр түтігі жіңішке болған сайын және олардың
қабырғасы сұйық күйдегі сорбтивті өзіне жақсы жұқтырғанда да
конденсациялану тезірек жүреді
Абсорбция дегеніміз сорбент массасына диффузия арқылы газ енгендегі
сорбция құбылысы. Ол берілген бір заттың (сорбтивтің) екінші бір затта
(сорбентте) еру құбылысына пара-пар. Фаза араларындағы заттың таралуы Генри
заңына бағынады. Қазір абсорбциялық құбылыстар өнеркәсіпте кеңінен
қолданылуда. Мысалы, өнеркәсіптегі тұз қышқылын өңдіру толығымен хлорлы
сутек газын судың абсорбциялау құбылысына негізделген. Нақ осы құбылысқа,
яғни газдардың абсорбциясына сүйеніп газдарды зиянды қоспадан тазартады,
газ қоспасын бөледі. Хемосорбция дегеніміз сіңетін және сіңіретін заттар
арасындағы әрекеттесу терең жүру нәтижесінде жаңа химиялық зат пайда
болатын процесс. Бұған мысал ретінде натронды ізбестің көміртек (IV) оксиді
мен күкірт (IV) оксидін өзіне сіңіріп, карбонат пен сульфат тұздарын
түзетінін келтіруге болады. Хемосорбцияны физикалық сорбция мен
абсорбциядан осы құбылыстар кезінде бөлінетін жылу шамасын өлшеп, ажыратуға
болады.
Адсорбция құбылысы. Термодинамиканың екінші заңына сәйкес бос энергия
қоры бар жүйелер сияқты заттардың жанасу шегінде де бос энергия қоры
болғандықтан, ол өздігінен осы энергияны азайтуға ұмтылады. Бұл адсорбция
және басқа да физикалық құбылыстардың жүруіне тікелей не жанама ықпал етеді
екен. Адсорбция дегеніміз екі фазаның жанасу шегіндегі заттар
концентрациясының өздігінен өзгеруі немесе әдетте біреуі қатты зат болып
келетін екі фазаның жанасу шегіндегі беткі қабатта бір фаза
концентрациясының жоғарылауы. Қалыптасқан терминологияға сәйкес бетіне
басқа зат жинақталатынды – адсорбент, жинақталушыны - адсорбтив немесе
адсорбат дейді.
Адсорбент бетінің 1см2-на сіңген заттың мөлшерін меншікті адсорбция
(Г) деп атайды. Іс жүзінде кез келген адсорбент бетін өлшеу мүмкіндігі бола
бермейтіндіктен, 1кг адсорбентке адсорбцияланған адсорбцияны мольмен өлшеп,
А әрпімен белгілейді:
A = x m
(15)
Адсорбция (А) мен меншікті адсорбция арсындағы байланыс былайша
өрнектеледі:
А = Г∙ S0
(16)
Берілген адсорбентпен адсорбтив үшін меншікті адсорбцияның шамасы
адсорбтив газ күйінде болса температура (Т) мен қысымға (p), ал ерітінді
болса температура (Т) мен концентрацияға (С) тәуелді. Адсорбция шамасы (16)
теңдеу арқылы өрнектелетін болса, онда меншікті адсорбция температура мен
концентрациядан (қысымнан) басқа адсорбенттің беткі қабатының ауданына да
тәуелді болады. Температура, меншікті адсорбция және концентрация (қысым)
сияқты үш өлшемнің математикалық тұрғыдан өзара функционалды байланыста
болатынын жалпы термодинамикалық теңдеумен өрнектеуге болады.:
Г= f ( Т ‚С ) немесе Г= f (Т‚ p ) }
f = ( Г‚ Т‚ С) = 0 немесе f ( Г‚ Т‚ p) =0 }
(17)
Бұл теңдеулерден адсорбция изотермасы (Т= const) деп аталатын және оны
сипаттайтын қосымша теңдеу туындайды:
Г= f (С) немесе Г= f (p)
(18)
Көптеген зерттеулер көрсеткендей адсорбция қайтымды процесс. Адсорбция
жүретін беткі қабаттарда орналасқан молекулалар аса мықты бекітілмеген.
Олардың кейбіреулері адсорбенттің тартылас күші әсер ететін шектен шығып
кетуі мүмкін, яғни ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Алғы
сөз ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3
І тарау
КОЛЛОИДТЫ ЖҮЙЕ
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ...4
§1. Коллоидты жүйе туралы
түсінік ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... 4
§2. Меншікті
бет ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ...11
§3. Дисперсті жүйенің
жіктелуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ...13
ІІ тарау
БЕТТІК ҚҰБЫЛЫСТАР МЕН
АДСОРБЦИЯ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 16
§1. Беттік
керілу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ..1 6
§2. Фазаның жанасу шегіндегі бос
энергия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .17
§3. Адсорбциялық құбылыстың жалпы
сипаттамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19
§4. Катты дене газ шегіндегі
адсорбция ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...2
1
§5. Адсорбция
изотермасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... .25
§6. Сұйық – газ жанасу шегіндегі
адсорбция ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..28
§7. Қатты дене – сұйық жанасу шегіндегі
адсорбция ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ..32
§8. Адсорбция түрлері мен
теориясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
..35
III тарау
МОЛЕКУЛА - КИНЕТИКАЛЫҚ
ҚАСИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 39
§1 Броундық
қозғалыс ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... .39
§2 Диффузия және
флуктуация ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... .41
§3 Осмос
қысымы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... 42
§4Седиментация ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...43
IV тарау
КОЛЛОИДТЫ СИСТЕМАЛАРДЫ АЛУ ЖӘНЕ ТАЗАЛАУ ... ... ... ... ... ... ... .5 7
§1 Коллоидты – дисперсті системаларды
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 57
§2 Коллоидты системаларды
тазарту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
.61
V тарау
КОАГУЛЯЦИЯ ЖӘНЕ
ТҰРАҚТАНДЫРУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 63
§ 1 Коллоидты ерітінділердің
коагуляциясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .63
§2 Ұю
кинетикасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... 65
§3 Коллоидтардың
тұрақтылығы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... 67
§4 Ұюдың
түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... .70
VI тарау
ҚҰРЫЛЫМДАНУ ЖӘНЕ МИКРОГЕТЕРОГЕНДІ ЖҮЙЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ...73
§1 Құрылымдану және
реология ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ..73
§2Суспензиялар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 77
§3
Эмульсиялар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..78
§4
Көбіктер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..83
§5
Аэрозольдер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..87
§6
Ұнтақтар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .91
VII тарау
КОЛЛОИДТЫ
БАЗ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ..93
§1 Коллоидты БАЗ
түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ..93
§2 Коллоидты БАЗ ерітінділерінің
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... .. ... ... ... ... ... 95
§3 Тұрақтандыру және
солюбилизация ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
...97
§4 Коллоидты
ерітінділер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... .. 99
§ 5 Коллоидты ерітінділердің оптикалық
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ..139
§ 6 Коллоидты ерітінділердің
тұтқырлығы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 150
VIII тарау
ЛАБОРАТОРИЯЛЫҚ ЖҰМЫСТАР
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .156
№1 Сұйықтың толық беттік энергиясын
анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .156
№2 Қатты дене - ерітінді арасындағы
адсорбция ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..158
№3 Қатты дене мен электролит емес қос ерітінді арасындағы адсорбцияны
зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...159
№4Қатты адсорбенттегі ерітіндіден БАЗ адсорбциясын
зерттеу ... ... ... ... ... ...161
№5 БАЗ беткі қабат белсенділігіне олардың молекулалық құрылыс әсерін
зерттеу. Адсорбциялық қабат өлшемін
анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...162
№6 Коллоидты жүйе. Коллоидты жүйені
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...164
№7 Дисперсті
жүйе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... .166
№8 Темір гидроксиді гидролизінің ұюы мен тұрақтануын
зерттеу ... ... ... ... ...169
№9 Зольдерді пептизация әдісімен алу және
тазалау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .171
№10 БАЗ ерітінділеріндегі мицелла түзілуін
зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..172
№11 Амфотерлік полиэлектролиттің изоэлектрлік нүктесін
анықтау ... ... ... ..174
№12 ЖМҚ молекулалық салмағын
анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .176
№13 Жоғары молекулалық заттың
ісінуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...178
№14
Эмульсиялар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ..1 79
№15 Эмульсияны алып, қасиетін зерттеу.
Ісіну ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 181
№16 Зольдерді алу және олардың кейбір
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ..185
№17 Коллоидты ерітінділерді гидролиз әдісімен
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .187
№18 Коллоидты ерітінділерді алудың ерекшеліктері және алмастыру
әдісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .188
№19 Коллоидты ерітінділерді алудың пептизация
әдісі ... ... ... ... ... ... ... .. ... ...188
№20 Коллоидты системалардың тұрақтылығы және
коагуляциясы ... ... ... ... .189
№21 Көбіктердің қасиеттері және оларды
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..193
№22 Аэрозольдардың
түзілуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... 194
№23 Хроматографиялық
адсорбция ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
...197
№24 Гиббс адсорбцияның
изотермі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
..200
№25 Иониттердің алмасу қабілетін
үйрену ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...202
№26 Суспензияның седиментациялық
анализі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .202
№27
Гельдер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .204
№28 Конденсациялау әдісі.
Күкірт ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
..207
№29.Коллоидты ерітінділерді алуға әсер ететін заттардың
концентрациясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..207
№30 Гидрофильді зольдер алу және олардың кейбір
қасиеттері ... ... ... ... ... ...20 8
№31 Коллоидты ерітінділерді
тазалау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...209
№32 Зольдерді
диализдеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... 212
№33 Коллоидты системалардық оптикалық
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... .. 213
№34
Тұтқырлық ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... .215
№35 Капиллярлы вискозиметр көмегімен тұтқырлықты
анықтау ... ... ... ... ... .218
№36 Тұтқырлық ортада шариктің
түсуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .220
Коллоидтық химия бойынша ұсынылатын лабораториялық жұмыстар ... ... ... ..
тізімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 222
Тест
тапсырмалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... ... ... .22 4
Қосымша
кестелер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... ... ...249
Бақылау
сұрақтары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ...259
Типтік бағдарлама бойынша қаралатын
тақырыптар ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... .261
Семинар сабақтардың
тақырыптары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
..264
Студенттердің оқытушы қатысуымен орындауға ұсынылған өзіндік жұмыстардың
тақырыптары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ..264
Студенттердің өзіндік жұмыстарына арналған
тақырыптар ... ... ... ... ... ... . ... ..265
Студенттердің өзіндік жұмыстарына
сұрақтар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .265
Студенттердің өздігінен дайындалатын
тақырыптары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 271
Әдебиеттер мен ақпарат алу көздерінің
тізімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...273
Мазмұны ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...275
КОЛЛОИДТЫ ЖҮЙЕ
Коллоидты жүйе туралы түсінік
Коллоидты жүйе туралы зерттеулерді итальян оқымыстысы Ф Сельми 1845
жылы жүргізді.Ол белгілі көлемдегі суда таралған күкірт, хлорлы күміс,
берлин көкшіл бояуы сияқты жүйелерді зерттеді. Ол басқа мысалы ас тұзы
ерітіндісіне қарағанда бұл ерітінділердің бөлшектерінің үлкен ірілеу екенін
байқады. Ал 1861 жылы Томас Грэм коллоидты химияның дамуы үшін өте маңызды
зерттеулер жүргізіп, дисперсті жүйені диффузия жылдамдығына қарап, жақсы
және нашар еритін диффузияланушы деп екі класқа бөлді. Оларды крисаллоидтар
және коллоидтар деп атады. Т.Грэм кристаллоид пен коллоидты бір-бірінен
бөліп алу әдісін ашты және бұл әдісті диализ деп атады. Бір зат өте майда
түрде дисперсті фаза басқа бір зат дисперсті ортада көлемінде біріңғай
таралса, ол жүйені дисперстік жүйе дейді.
Дисперстік фаза мөлшеріне орай ірі және майда дисперсті жүйе
болады.Егер бөлшекткрдің мөлшері 10 -3-10 -5см болса, оларды ірі дисперстік
жүйе дейді. Оларға суспензиялар (қс), эмулсиялар (сс) және көбіктер
жатады. Дисперсті фазаның бөлшектерінің мөлшері 10 -5-10 -7см болса, майда
дисперстік жүйе дейді. Оларды коллоид ерітінділер немесе зольдер дейді.
Зольдерді диспергирлеу (майдалау)және конденсациялауұлғайту әдістерімен
алады.Екі жағдайда да дисперстік фаза дисперстік ортада ерімеуі тиіс.
Зольдің құрамында дисперстік фазаның бөлшектері үлкен агрегаттарға
бірікпеуі үшін арнайы зат- стабилизатор қосады. Золь арқылы суспензия мен
эмульсия арқылы да сәуле өткізгенде жарқыраған конус байқалады. Оны
Тиндаль конусы дейді.Бұл дисперсті жүйенің гетерогенділігін көрсетеді және
дисперсті фаза бөлшектерінің сәулені шағылыстыруынан болады. Зольдің
дисперстік фаза бөлшектерінің мөлшерлері өте кішілігіне 10 -5-10 -7см
қарамастан, олардың құрылымы өте күрделі. Кальций карбонатының судағы золін
мысал ретінде алайық. Ол үшін мына реакцияны пайдаланамыз:
СаСl2 + Na2CO 3 = CaCО 3 + 2NaCl (1)
Стабилизатор ретінде кальций хлоридін аламыз- оны артық мөлшерде қосамыз.
СаСl2 → Са2+ + 2Сl-
(2)
Судағы ерімейтін кальций карбонаты,CaCО3 молекулалары бір-біріне жабысып,
болашақ бөлшек ядросын құра бастайды,алайда артық иондардың адсорбциясы
нәтижесінде ядроның әрі қарай өсуі тоқтайды. Мынадай ереже есте қалу керек:
кез келген қатты заттың бетіне кристалл торды толтыра алатын, яғни сол
беттік қабатпен ортақ атомдық топтары бар иондар алдымен адсорбцияланады.
Біздің мысалда беттік қабатқа Са2+ не CО3 2- иондары адсорбцияланады ,
алайда артық мөлшерде тек Са2+ ионы бар. Сондықтан Са2+ ионы беттік
қабатқа адсорбцияланады. Ядро бетіне адсорбцияланатын иондар потенциал
көрсеткіш деп аталады. Потенциал- көрсеткіш иондар ядроға жақсы тартылады
да, өзіне қарама- қарсы зарядты бізде-Сl- тартылады, оларды қарсы иондар
деп атайды. Қарсы иондардың біразы бетінде жақсы ұсталады, ал басқа бөлігі
диффузия нәтижесінде диффузиялық қабатта орналасады .
{[m CaCО3 • n Са2+• 2 n –х Сl --]2х+ •2х Сl --}0
ядро адсорбциялық қабаты диффузиялық қабаты
түйіршік (гранула)
мицелла
демек, адсорбциялық және диффузиялық қабаттарды артық мөлшерде алынған
электролиттер, яғни стабилизатор иондарын құрады. Сол сияқты күміс нитратын
мысал ретінде аламыз, және де АgNO3 артық алынғандағы AgI мицелласының
түзілуін көреміз.
1- СУРЕТ
Адсорбциялық қабатпен ядроны коллоид бөлшек немесе гранула дейді .
Түйіршік пен диффузиялық қабат қосылып мицелла түзеді. Әрқашан n х
болғандықтан коллоид бөлшектің заряды болады. Біздің мысалда оң заряд. Егер
кальций карбонаты, CaCО3 золін даярлау кезінде артық мөлшерде натрий
карбонаты, Na2CO3 ерітіндісі алынса, мицелла құрамы мынадай болады:
Na2CO3 →2Na ++ CO32- (3)
{[m CaCО3 • n СО32-• 2 n –х Na +]2х-•2х Na + }0
колоид бөлшектерде бірдей электр зарядының, гидрат қабатының және белгілі
броундық қозғалыстың болуы зольдің тұрақтылығын көрсетеді. Зольдің
тұрақтылығын белгілі бір жағдайда ғана сақталады. Жағдай өзгерген кезде
коллоид бөлшектердің бірігуі нәтижесінде золь бөлінеді. Осындай коллоид
бөлшектердің үлкен бөлшектерге айналуын коагуляция деп атайды. Коагуляция
жүрген сайын золь тұманданып, коллоид бөлшектер тұнбаға түсе бастайды.
Коллоид бөлшектердің тұнбаға түсу процесі седиментация деп аталады. Алайда
,практикада осы екі процесті үлкею мен тұну жай коагуляция дейміз. Әр
түрлі электролиттерде, араластыру, сілку, өте қатты қыздыру не суыту,
центрифугалау арқылы коагуляция тудыруға болады. Барлық жағдайда
коагуляцияның себебі бөлшектердің дисперстік ортамен байланысының әлсіреуі
болып табылады. Золь тұрақтылығының басты себебі электр заряды бір аттас
иондардың болуы, олар иондардың бірігуіне кедергі келтіреді. Сондықтан
коагуляциялау әдістері осы зарядтарды компенсациялауға, яғни электролит
қосуға негізделген. Зольге электролит қосқанда ерітіндідегі иондардың жалпы
концентрациясы артады, соған орай мицелланың көпшілігі диффузиялық
қабаттан адсобциялық қабатқа өтеді,соған орай бөлшектің заряды төмендейді.
Электрлік тебіліс күштері төмендеп, бөлшектер бір- бірімен бірігіп үлкен
бөлшектерге айналады. Сонымен, золь агрегаттық, содан соң кинетикалық
тұрақтылығын жояды үлкен бөлшектер тұнбаға түсе бастайды. Тұнбаны
коагулянт дейді. Коагуляцияны электролиттің коллоид бөлшек зарядына қарсы
заряды бар ионы тудырады. Иондар заряды өскен сайын оның коагуляциялық
қабілеті артады. Коагуляцияны электролит қоспасымен іске асыруға немесе
қарсы заряды бар екі зольдің өзара коагуляциясы арқылы жүргізуге болады.
Сольват қабығы шамалы лиофобтық зольдерді коагуляциялау жеңілірек. Олардың
тұнбалары ұнтақ не сулы қабыршықтар болады. Лиофильдік зольдерді
коагуляциялау қиын және көбінесе қоймалжың тұнба түзеді. Кейде барлық золь
тығыз массаға гельге айналады. Жаңадан түзілген гельдер қайтадан зольге
айнала алады. Бұл процесті пептизация, ал тудыратын затты пептизатор дейді.
Пептизаторлар көбінесе электролиттер бөлшектің бетіне адсорбцияланып,
олардың бір- біріне әсерін әлсіретеді, соның нәтижесінде агрегаттар ыдырап,
гель зольге айналады.
гель→золь ( пептизация)
золь→гель ( гельдің түзілуі)
Золь арқылы (суспензия мен эмульсия арқылы да( сәуле өткізгенде жарқырыған
конус байқалады. Оны Тиндаль конусы дейді. Бұл дисперсті жүйенің
гетерогенділігін көрсетеді және дисперсті фаза бөлшектерінің сәулені
шағылыстыруынан болады. Зольдің дисперстік фазасы бөлшектерінің мөлшерлері
өте кішілігіне (10-5-10-7см ( қарамастан , олардың құрылымы өте күрделі.
Кальций карбонатының судағы золін мысал ретінде алайық. Ол үшін мына
реакцияны пайдаланамыз :
CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2NaCl ( 4 )
Стабилизатор ретінде кальции хлоридін аламыз, оны артық мөлшерде қосамыз.
CaCl2 ( Ca 2++ 2Cl- (5)
Мицелла құрамы мынадай болады:
(a2CO3 ( 2Na ++ CO3 2- (6)
((mCaCO3 •CO3•2(n–x) Na+ ] •2xNa+(0
Коллоид бөлшектерде бірдей электр зарядының, гидрат қабатының және белгілі
қозғалыстың болуы зольдің тұрақтылығын көрсетеді.Зольдің тұрақтылығын
белгілі бір жағдайда ғана сақталады, ал жағдай өзгерген кезде коллоид
бөлшектердің айналуын коагуляция дейді .Коагуляция жүрген сайын золь
тұманданып, коллоид бөлшектер тұнбаға түсе бастайды.
Коллоид бөлшектердің тұнбаға түсу процесі седиментация деп аталады.Әр
түрлі электролиттерде, араластыру арқылы ұйытуға болады.
Суспензия- қатты дисперстік фазаның сұйық дисперстік ортада таралған
микрогетерогенді жүйе.Ондағы қатты бөлшектердің өлшемі 0,1 мкм10мкм.
Көбіктер-дисперсті фазасы газ, ал дисперсті ортасы сұйық болса сұйық көбік
,ал дисперсті ортасы қатты зат болса қатты көбік деп аталады.
Сонымен, зерттеулерді итальян оқымыстысы Ф. Сельми 1845 жылы
жүргізгені белгілі. Ол белгілі көлемдегі суда таралған хлорлы күміс,
күкірт, берлин көкшіл бояуы сияқты жүйелерді зерттеген. Осы заттардың суда
ерімейтіні және олардың белгілі бір жағдайларда шөгінді түрінде бөлінетіні
мәлім. Алайда Сельми алған жүйелер сырт көрінісі, мөлдірлігі жағынан судағы
ас тұзы мен мыс купоросының нағыз ерітінділері сияқты болып көрінетін. Бұл
аса төменгі концентрациядағы көрініс еді. Сонда да Сельми хлорлы күміс,
күкірт, берлин көкшіл бояуы мен су жүйелеріндегі бөлшектердің судағы ас
тұзы және мыс купоросының бөлшектеріндей майда емес, олардан гөрі ірілеу
екенін болжады.
Сельми тәжірибесін қайталаған Н. Нэгели хлорлы күміс, күкірт, берлин
көкшіл бояуына өздеріндей суда ерімейтін заттарды қосып, нағыз ерітінділер
қатарын көбейтіп салыстырады. Нағыз ерітінділердегі әр молекула жеке-жеке
жүрсе, хлорлы күміс, күкірттердің бірнеше молекуласы бірігіп, агрегат
түрінде болғандықтан ірілеу болады және олар өз салмағын көтере алмай
шөгінді түрінде тұнбаға түседі деген пікір айтады. Нэгели мұндай көп
молекуладан тұратын агрегаттарды басқа жекеленген молекуладан ажырата білу
мақсатымен оны мицелла деп, ал мицелласы бар жүйені зольдер деп атауды
ұсынды. Сонда мицелла дегеніміз бірнеше молекуланың топтасқан жиынтығы да,
золь осы мицелланың ерітіндісі екен. Бұл екі термин де ғылыми әдебиет пен
оқулықтарға берік енген.
1857жылы М.Фарадей белгілі көлемдегі суда біркелкі таралған
алтын золінен тұратын жүйені зерттейді. Мұндай жүйені ертедегі алхимиктер
судағы алтын тұзының ерітінділерін тотықсыздандыру арқылы алып, алтын
сусыны немесе алтын су деп атаған. Ал Фарадей болса, алтын золінің
оптикалық қасиеттерін зерттегенде, онда алтын өте ұсақ жекеленген күйінде
жүретінін анықтады.
1861жылы Томас Грэм коллоидты химияның дамуы үшін өте маңызды роль
атқаратын зерттеулер жүргізді. Ол барлық заттарды диффузия жылдамдығына
қарай жақсы және нашар диффузияланушы деп екі классқа бөлді. Жақсы
диффузияланушыларды кристаллоидтар, ал нашар диффузияланушыларды коллоидтар
деп атады. Сол сияқты Т.Грэм кристаллоид пен коллоидты бір-бірінен бөліп
алу әдісін ашты және ол бұл әдісті диализ деп атады. Бұл әдісте табиғатта
кездесетін кейбір жарғақ сияқты заттардан әзірленген жұқа пленканың өзі
арқылы нағыз ерітіндіні өткізіп, коллоидты ерітінділерді сүзгіден өткізбей
алып қалатын қасиеті пайдаланылған. Мысалы, Грэм өз тәжірибелерінде өгіз
қуығының қабығын пайдаланып, оны ас тұзы мыс сульфаты сияқты нағыз
ерітінділерге батырғанда, не оның ішіне әлгі ерітінділерді құйғанда, одан
ерітіндідегі иондар ешбір кедергісіз өте берген. Ал, бұл тәжірибені
коллоидты ерітінділермен, мысалы сол кезде жақсы белгілі хлорлы күміс,
күкірт, берлин осылайша Грэм коллоидты заттарды шектейтін және оны бөліп
сипаттайтын мүмкіндікті анықтады.
Т.Грэм диффузияны зерттеп, диализді қолданды және құрамында
органикалық заттары бар жүйелермен жұмыс істеді. Желатин, пектин, казеин,
гуммиарабиктің диффузия жылдамдығы нашар, әрі диализ кезінде жарғақты
мембранадан өтпейді. Олар кезінде желім жасауға жұмсалатын, сондықтан да
Т.Грэм латынның colla (желім) сөзі негізінде ғылым тіліне коллоид сөзін
енгізді. ХХ ғасырдың басында Р. Зигмонди, Ж. Перрен, Т. Сведберг және басқа
да ғалымдар жүргізген зерттеу жұмыстары коллоидты жүйе қасиетіне онда
таралған зат бөлшектерінің көлем өлшемі айтарлықтай әсер ететінін көрсетті.
Бөлшек шамасы броундық қозғалыстың интенсивтілігін, салмақ әсерінен олардың
шөгу қабілетін және коллоидты жүйенің оптикалық қасиетін анықтайды.
Коллоидты жүйелерді толық сипаттау үшін, оның қасиеті тек бөлшек
өлшеміне ғана функционалды тәуелділікте болады деген пікірдің
жеткіліксіздігін Н.П.Песков 1917 жылы көрсетті. Ол- бөлшек өлшемін
өзгеріссіз сақтай алатын коллоидты жүйенің қабілетін анықтайтын факторларды
ескергенде ғана мүмкін болатын жай. Бөлшек өлшемі олардың бір-біріне
жабысып, бірігуі нәтижесінде өзгереді және осы құбылысты коагуляция немесе
ұю дейді. Ұю процесіне қарсы тұратын қабілеттілік агрегаттық тұрақтылық
болады.
Коллоидты химияда фаза, жүйе, гомогенді және гетерогенді жүйелер
сияқты физхимиядағы түсініктер қолданылады. Дисперсті ортаны еріткішпен, ал
дисперсті фазаны еріген затпен, дисперсті жүйені ерітіндімен салыстыруға
болады.
Коллоидты химия қазір ғылыми-техникалық прогресте маңызды роль
атқарады. Коллоидты химиялық процестер болмаса, радиоэлектронды, тамақ және
жеңіл өнеркәсіптегі, құрылыс материалдарды, медициналық дәрі-дәрмектерді
өңдіру және онымен байланысты технологиялық операцияларды жүзеге асыру
мүмкін емес. Коллоидты химиядағы алғаш зерттелген ғылыми жұмыстар мен
әдістер қазір биохимия, биотехнология және биофизика секілді ғылым
салаларында кеңінен қолданылуда. Коллоидты химияны оқу, оны білу ғылым мен
техниканың көп саласындағы мамандар үшін өте қажет және маңызды.
Коллоид күйінің ерекшелігі. 1. Барлық коллоидты ерітінділердің сәуле
шашырату қабілеті болады (мұны опалесценциялау дейді). Бұл құбылысты
тәжірибе жүзінде жасап көруге болады. Ол үшін сәуле жолына линза қойып,
одан шыққан сәулені коллоидты ерітінді арқылы жіберсе, одан опалесценцияны
көруге болады. Мұны Тиндаль конусы дейді.
2. Нағыз ерітінділермен салыстырғанда коллоидты ерітінділердегі
диффузия жылдамдығы төмен.
3. Коллоидты ерітінділердің осмостық қысымы аз, кейде оларды байқау да
қиын. Демек, коллоидты ерітінділердегі диффузия жылдамдығы мен осмостық
қысымының төмен болуы ондағы еріген зат бөлшегінің нағыз ерітіндімен
салыстырғанда ірі екендігін көрсетеді. Расында да коллоидты ерітіндідегі
бөлшек ірі болған сайын оның диффузия кезіндегі қозғалысы қиындап,
жылдамдығы төмендейді, өйткені бөлшек іріленген сайын кедергі де арта
түседі. Сондай-ақ ондағы бөлшек өлшемі осмостық қысымға әсер етеді.
Берілген бірдей көлем мен тығыздықтағы екі ерітіндінің қайсысында бөлшек
ірілеу болса, сонда бөлшек саны аз болады. Ал осмостық қысым
концентрацияға, яғни бөлшек санына тікелей тәуелді.
4. Коллоидты ерітінділер диализге бейім, яғни онымен ерітіндіде бірге
еріген төменгі молекулалы заттарды жартылай өткізетін жарғақты пленкалар
көмегімен тазартуға болады. Мұндайда төменгі молекулалы заттар (нағыз
ерітінділер) жарғақ арқылы өтеді де, коллоидты ерітінділер қалып қояды.
5. Нағыз ерітінділер өте тұрақты, ал коллоидты ерітінділер тұрақсыз.
Олай болса, коллоидты бөлшектер болмашы ғана сыртқы әсер салдарынан
коагуляцияланады.
6. Коллоидты ерітінділер, әдетте, электрофорез құбылысына бейім. Бұл
құбылыс электр өрісіндегі коллоидты бөлшекті оң, не теріс электродқа
тасымалдаумен сипатталады.
Бірнеше ондаған жылдар бойы жүргізілген зерттеу жұмыстарының нәтижесін
топтастырып, тұжырымдап қарағанда, заттардың коллоидты күйі дегеніміз, ол
молекула емес, көптеген молекуладан жинақталған жекеленген агрегат түрінде
жүретін аса майда ұнтақталған, яғни жоғары дисперстелген жүзгінді
(дисперсті) түрі екен. Осы айтылғанды коллоидты жүйедегі коллоидты күйдің
анықтамасы ретінде қабылдай отырып, коллоидты жүйенің кәдімгі, яғни нағыз
ерітіндіден өзгешелігін көрсететін негізгі пікірлерді тұжырымдауға болады.
Коллоидты бөлшектер көптеген молекулалардан тұратындықтан да оларға
фазадағы термодинамика заңдылықтарын қолдануға болады. Кәдімгі ерітіндімен
салыстырғанда коллоидты ерітінді екі фазадан тұратын гетерогенді жүйе екен.
Әр коллоидты ерітінді гетерогенді жүйе болғандықтан, оның басты шарты бір
фазадағы заттың екінші фазадағы затта ерімеуі немесе нашар еруі.
Коллоидты химиядағы басты проблемалардың бірі - агрегаттық
тұрақсыздық. Бөлшектердің тұрақсыз болуының негізгі себептері
термодинамикалық және кинетикалық тұрғыдан түсіндіріледі. Коллоидты
жүйедегі агрегаттық тұрақсыздық жүйедегі фазааралық жанасу бетке
шоғырланған энергияның оң және айтарлықтай үлкен мәнде болуына байланысты
екен. Ол бос энергияға тең болғандықтан, мұндай жүйелердің бәрі де тұрақсыз
екені термодинамикадан белгілі. Бұл жайт коллоидты жүйелердің ұюына,
коагуляциялануына әкеледі. Мұндайда бөлшектер бір-біріне жанасып, бірігеді
және фазааралық беткі қабат азайып, жүйедегі бос энергия кемиді. Коллоидты
жүйенің күйін термодинамикалық тұрғыдан өте қарапайым әдіспен талқылауға
болады. Әйтсе де мұндай талқылау агрегаттық тұрақсыздықтың негізгі түпкі
мәнін ашпайды. Сол сияқты термодинамика жүйедегі бос энергия мен жүйенің
тұрақсыз күйде қанша уақыт болатынын және олардың арасындағы байланысты
көрсетпейді. Сондықтан да коллоидтық жүйенің агрегаттық күйі жайлы мәлімет
толық және нақтылы болу үшін термодинамикалық талқылау физикалық
кинетикамен толықтырылады.
Кинетикалық тұрғыдан коллоидты немесе микрогетерогенді жүйенің күйі
ондағы жекеленген бөлшектер арасындағы әсер етуші күштердің қатысымен
анықталады. Мұндай күштерге бөлшектердің тартылыс күші және коагуляцияға
кедергі болатын тебіліс күші жатады. Кейде тартылу күшін ілініс күші деп те
айтады. Бұл күш пен молекулааралық күштің тегі бірдей. Бөлшектер бір-
біріне жақындағанда олардың арасындағы күштің мәні артады. Жүйеде
кездесетін электролит иондарының фазааралық беткі қабатқа таңдамалы
адсорбциялануы нәтижесінде пайда болатын электр күштері де тебіліс күші
бола алады. Сондықтан да коллоидты жүйенің салыстырмалы тұрақтылығы
бөлшектердің өзара жақындай түсуіне қарсы тұра алатын тебіліс күшінің
жеткілікті не артық болуымен анықталады. Бұл көптеген коллоидты жүйенің
тұрақсыздығына қайшы келе бермейді, өйткені бөлшектер бір-біріне өте
жақындаған сәтте ондағы тартылыс күші тебіліс күшінен артық болады және
жекеленген екі бөлшекке энергетикалық тұрғыдан агрегат құрастыру тиімді.
Дисперсті орта, дисперсті фаза құрамы бірдей екі дисперсті жүйе алынды
делік. Бұл екі жүйенің айырмашылығы бірінші жүйедегі дисперсті фазада
кездесетін бөлшектер біркелкі де, екінші дисперсті фазадағы бөлшектер
бірдей болса да өлшемдерінің әр түрлілігінде. Бұл – бөлшектер айырмашылығын
диаметр, ұзындық, биіктік сияқты өлшемдермен шектеп көрсетуге арналған
мысал. Ал іс жүзінде коллоидты жүйедегі дисперсті фаза бөлшектердің өлшемі
әр түрлі болады. Мұндай жүйелерді салыстыру үшін меншікті (үлесті) бет
(беткі қабат ауданы) арқылы сипатталатын, Оствальд ұсынған дисперстік
дәреже қолданылады.
§2. Меншікті бет
Меншікті бет деп дисперсті фазаның көлемі не масса бірлігіне тиесілі
фазааралығының ауданын айтады. Егер дисперсті фазаның түрі бірдей куб
тәрізді болса, онда мұндай жүйенің меншікті беті келесі формула бойынша
есептеледі:
Sм = Sб Vб = 6а2а3 = 6а-1 (7)
мұндағы Sм – меншікті бет; Sб– бөлшектің беткі ауданы; Vб– бөлшектің
көлемі; а– куб қабырғасының ұзындығы.
Ал енді, жүйедегі дисперсті фазаның бөлшектері бірдей сфера (шар)
болса, онда меншікті бетті төмендегіше анықтайды:
Sм = SбVб = 4ïr243ïr3 = 3r = 6d = 6d–1 (8)
Мұндағы r- сфера радиусы, d– оның диаметрі.
Сондай-ақ, жүйедегі дисперсті фаза бірдей кез- келген формалы болса,
онда меншікті бетті келесі формуламен есептеуге болады:
Sм = Sб Vб = k 1a = ka-1 = kD (9)
мұндағы k- бөлшек түріне тәуелділік коэффициенті; a- бөлшек өлшемі; D-
фазаның дисперстілігі.
Дисперсті жүйе арасында меншікті беті жағынан алғанда коллоидты жүйе
ерекше жағдайда болады. Нағыз ерітінділерде меншікті бет болмайды. Сол
сияқты аса ірі дисперсті жүйелердің де меншікті беті бола бермейді. Тек
гетерогенді өте жоғары дисперсті жүйелерде ғана меншікті бет бар. Олай
болса меншікті бет бөлшек өлшеміне тәуелді екен. Ол бөлшек ұсақталған сайын
(мысалы, әр бөлшек екіге бөлінсе меншікті бет екі есе өседі) артады. Бұл 2-
суретте өрнектелген. Онда ордината осіне меншікті беттің, ал абсцисса осіне
бөлшек өлшемінің мәндерін орналастырса, онда бұл тәуелділіктің функционалды
байланысы қисық сызықпен өрнектеледі және ол Sм= f(a) = ka теңқабырғалы
гиперболаны кескіндейді. Оны төрт бөлікке бөлуге болады. Әуелі бір затты
алып бөлшектесе, суретте көрсетілген 1- ауданда болатын күйді алады. Мұнда
оның өлшемі үлкен де үлестік беті аз. Оны аса ірі дисперсті жүйе дейді.
Енді осы ірі дисперсті бөлшекті онан әрі ұсақтай түссе, әрбір бөлшек
бірнеше рет кішірейіп, оның үлесті беті арта түседі. Ол 2- аудан – мұны
микрогетерогенді (аса ұсақ дисперсті) жүйе деп атайды. Ал енді, осыны онан
да әрі ұсақтасақ, мысалы ондағы бөлшек өлшемі 10-5–10-7 см аралығында
болса, онда бұл 3 – бөлікті коллоидты жүйе дейді. Әрине, мұны онан да әрі
ұсақтайтын болсақ, онда суретте кескінделген 4- бөліктегі нағыз ерітінді
шығады. Мұндайда оның өлшемі нөлге ұмтылады да үлесті бет жоғалады.
2-сурет Меншікті беттің бөлшектердің мөлшеріне тәуелділігі
Ал осы жоғарыдағы шекаралар тек шартты ғана бөлінген. Әрбір зат
өзара және өзін қоршаған ортамен әрекеттеседі. Денелер құрамын зерттегенде,
олардың беткі қабаттарының жалпы және ерекше сипатын білу қажет. Ендеше
коллоидты күйдің негізгі және маңызды ерекшеліктері ондағы масса мен бос
энергияның басым көпшілігі осы фазааралық беткі қабатқа шоғырланғандығында
екен. Фазааралық беткі қабатқа орналасқан молекулалар тек көлемдік
өзгешелікте болып қана қоймай, олар өзара, бірінен-бірі бөлек мәнде болады.
Қатты заттың беттері теп-тегіс болмайды. Оның күш өрісі және оған
сәйкес беткі энергияның мәні әр түрлі болады; сондықтан да құрамы мен
үлесті беті бірдей болатын екі жүйені энергетикалық жағынан қарастырғанда,
олардың бірдей болмауы мүмкін және кәдімгі физикалық-химиялық жүйеден
коллоидты күйге ауысқанда, жүйенің қайталанбайтыны және оның өзіндік
ерекшелігі пайда болады. Мысалы, бәрі бірдей болатын активті көмірдің
үлгісін аса жетілген, барынша стандартты технологиялық процестердің өзінде
де қайталап алу мүмкіндігі өте сирек кездеседі.
Кәдімгі аса жоғары дисперсті жүйелердегі бос энергияның артық болуы
оны термодинамикалық тұрақсыз етеді. Одарға дисперстілікті азайту арқылы
осы бос энергияның кемітуге бағытталған өздігінен жүретін процестер тән.
Мұндайда жүйенің химиялық құрамы өзгермейді, олардың энергетикалық сипаты
және бұған сәйкес коллоидты-химиялық қасиетті өзгереді. Бұл қарастырылатын
жүйе, химиялық жүйемен салыстырғанда тұрақсыз өзгеріске бейім болады. Бұл –
коллоидты жүйенің басты ерекшеліктерінің бірі.
§3. Дисперсті жүйенің жіктелуі
Барлық ғылым не өңдіріс салалары сияқты коллоидты химия да өздерінде
кездесетін өзіндік ерекшеліктері мен қасиеттерге, өлшемдер мен
көрсеткіштерге орай жіктеле келіп, сұрыпталады. Ондағы қайсыбір қасиеттер
біріне-бірі ұқсас болғандықтан, олар өзара бірігіп кетеді. Мұны кеңістікте
орналасқан денемен де теңестіруге болады, өйткені осы дененің кеңістіктегі
нақтылы орнын табу үшін үш өлшемді координатаны не олардың проекциясын
пайдалану қажет. Демек, коллоидты жүйені сипаттау үшін оны әртүрлі қасиет,
ерекшелік тұрғысынан жіктеу керек. Енді осындай жіктеудің бірнешеуін
қарастырайық.
Дисперстілік. Дисперстілік бойынша немесе дисперсті жүйедегі дисперсті
фаза өлшемі бойынша, яғни дисперсті бөлшектің өлшемін, ұнтақтылығын
көрсететін өлшеміне орай бөлінеді: ірі дисперсті; жоғары дисперсті
(микрогетерогенді); коллоидты; молекулалық.
Мұндағы ірі дисперсті жүйенің бөлшектері сүзгіш қағаздан өтпейді,
кәдімгі микроскопта көрінеді, өзінен жеңіл ортада жүзгін ретінде аз уақыт
болып, тез отырады, ал өзінен ауырлау ортада жүзгін ретінде жүре береді.
Жүйе жоғары дисперсті болса, біршама тұрақты, бөлшегі ұсақтау, сүзгіш
қағаздан оңай өтсе де жартылай өткізгіштерден өтпейді, кәдімгі оптикалық
микроскопта көрінбейді, дисперсті ортада жүзгін ретінде ұзақ сақталады.
Агрегаттық күй. Белгілі үш агрегаттық күйге сәйкес дисперстік жүйені 9
түрге бөлуге болады (1-кесте). Әдетте әрбір түрді ондағы бос әріптерді
қысқартып, бөлшек алымына дисперсті фазаны, ал бөлшек бөліміне дисперсті
ортаны жазады.
Заттағы дисперсті фазаның дисперсті ортада шекті ерігіштігі—дисперсті
жүйенің пайда болуындағы қажетті жай. Мысалы, дисперсті гг жүйесіндегі
газдардың бір-бірінде шексіз еритіндігінен әдетте көріне бермейді.
№1– кесте. Үш агрегаттық күйге сәйкес дисперстік жүйенің түрлері
Диспер Диспер Жүйе
Реті орта Жүйе Түрі Мысал
фаза белгісі
қатты сұйық зольдер, жүзгін, металл
1. қс золі
2. сұйық сұйық жүзгіндер жүзгіндер
сс
3. газ сұйық эмульсиялар сүт, мұнай, май
гс
қатты қатты қ көбіктер, сабын көбігі
4. қ
5. сұйық қатты сқэмульсия минералдар,
6. газ қатты гққатты коллоид қорытпа
7. қатты газ қгерітіндісі топырақ, балшық
8. сұйық газ сгҚуыс дене, гель пемза, активті
капилляр, көмір
ксерогелдер
9. газ газ ггаэрозоль, шаң түтін,атмосфера, ауа
тұман, ауа
Жоғары дисперсті жүйелерді зольдер дейді және осыған орай дисперсті
ортаның сипатына сәйкес гидрозольдер, органикалық зольдер, аэрозольдер
болып бөлінеді. Ал ірі дисперсті жүйедегі қатты фазаның сұйық ортада
таралуын жүзгіндер (суспензиялар), ал фаза да, орта да сұйық болса, оны
эмульсиялар дейді.
Құрылым. Барлық дисперсті жүйелер құрылым жағынан еркін (бос)
дисперсті және біріккен (байланысқан) дисперсті болып бөлінеді. Еркін
дисперсті жүйе дегеніміз- дисперсті фаза мен дисперсті орта бірімен-бірі
өзара байланыспай әрқайсысы бос жүретін дисперсті жүйе. Оған жүзгіндер,
эмульсиялар, аэрозольдер мен жалпы зольдер жатады. Дисперсті фаза мен
дисперсті орта өзара берік байланысқан жүйелерді байланысқан дисперсті жүйе
дейді. Оған капиллярлі кеуек заттар, диафрагмалы денелер, жұқа пленка-
мембраналар, кәдімгі полимерлер, қатты ерітінді- қорытпалар жатады.
Фазааралық әрекет. Дисперсті фаза мен дисперсті ортадағы заттар
фазааралық беткі қабатта әрқашанда молекулааралық әсерлесу күшінің есебінен
әрекеттесіп жатады және мұндағы әрекеттесу дәрежесі әртүрлі болуы мүмкін.
Мінеки, осы әрекеттесу шамасына орай дисперсті жүйелер лиофильді және
лиофобты болып бөлінеді. Лиофильді жүйелер тобына жататын дисперсті
жүйедегі дисперсті фаза мен дисперсті орта өзара әрекеттеседі. Мұның
нәтижесінде жалпы химиядан белгілі сольватацияға (еріткіш су болғанда
гидротация) ұқсас, дисперсті фаза бөлшегінің айналасында дисперсті орта
бөлшектерімен қоршалған қабат пайда болады. Ал, лиофобты жүйелер тобына
енетін дисперсті фаза мен дисперсті ортадағы заттар өзара нашар
әрекеттеседі.
Фазалық өзгешелік. Жоғары молекулалық қосылыстардың ерітінділері
нағыз молекулалық ерітінді болса да оларға коллоидты күйдің көптеген
белгілері тән. Мысалы, жоғары молекулалық қосылыстар өздігінен ерігенде
әуелі жекеленген макромолекулаларға ыдырап бірфазалы, гомогенді, тұрақты
және қайтымды жүйе құрайды. Ал, дисперстілік жүйе қасиетіне едәуір әсер
ететіндіктен, жоғары молекулалық қосылыс ерітінділері жоғары дисперсті,
гетерогенді жүйелерге тән ортақ қасиеті болуы керек. Расында да жоғары
молекулалық қосылыс ерітінділері диффузия жылдамдығы, ультра сүзгіштен
өтпеуі, құрылымы, оптикалық, электрлік қасиеті тарапынан алғанда, олар
нағыз ерітіндіден гөрі коллоидты жүйеге жақын.
Дисперсті жүйелерді тағы да үлкен екі топқа бөлуге болады: жүзгіндер
(суспензиодтар) және молекулалық коллоидтар. Жүзгіндер дегеніміз өзін
қоршаған ортадан анық белгіленген физикалық шегі бар, атомдар немесе
молекулалардың бірігіп өз алдына жеке агрегат құраған бөлшектерден тұратын
жоғары дисперсті, гетерогенді жүйелер. Ал, молекулалық коллоидты жүйелер
дегеніміз, жеке кинетикалық өлшем ретінде болатын молекулалардың
сольваттануын өздігінен құрайтын, тұрақты және қайтымды бір фазалық
гомогенді жүйелер. Мұндағы ірімолекулалардың өлшемі коллоидтық дисперстілік
өлшеміне шамалас болады. Мінеки осы тұрғыдан алғанда жоғары молекулалық
қосылыс ерітінділері дисперсті молекулалық коллоидты жүйеге жатады, ал
олардың гомогенділігі беткі бос энергия, фазааралық шек жайлы ойлауға да
мүмкіндік қалдырмайды. Бұл да тек олардың өзіне ғана тән қасиет.
Коллоидты химияның орны. Химияның дамуында коллоидты жүйені зерттеу
үлкен орын алады. Молекулалық және иондық ерітінділер табиғат пен
техникадағы коллоидты ерітінділерден гөрі әлдеқайда сирек кездесетін
құбылыс. Сондықтан да өзімізді қоршаған табиғи әлеміндегі кездесетін сан
алуан құбылыстардың физикалық-химиялық процесін түсіну арқылы табиғаттың
барынша жалпылама және нақтылы заңдылығын табуда, коллоидты химияның да
заңдылықтарының орны ерекше.
Тамақ өнеркәсібінде кездесетін көптеген технологиялық процестер
коллоидты процестер. Мысалы, нан өңдірісіндегі қамырды илеп, оны даярлау
кездегі ісіну процесі және нан пісіру кезіндегі ұю мен коагуляция сияқты
процестердің бәрі де коллоидты жүйедегі құбылыстар. Сол сияқты маргарин,
шырын, майонез сияқтыларды әзірлеу ісі- эмульгирлеу процесіне сүйенеді.
Сондай-ақ сүт өңдірісіндегі айран, сүзбе, құрт, ірімшік, май, қаймақ
сияқтыларды алудың өзі тікелей коагуляция және ісінуге кері құбылыс
синерезис сияқтыларға негізделеді. Кондитер саласындағы көптеген кремдер
мен сан алуан конфеттерді, зефирлерді әзірлеу де коллоидты процестер арқылы
жүзеге асады. Тағам даярлаудағы пісіру, тұздау сияқты құбылыстардың бәрі
коагуляция немесе белоктың ыдырауы секілді процестер арқылы жүреді.
Қазір қоршаған ортаны сақтау, оны қорғау аса маңызды мәнге ие болып
отыр. Бұған ғасырымыздың 80-жылдары Біріккен Ұлттар Ұйым жариялаған Таза
судың онжылдығы атты шешімі дәлел. Оны әлемдегі ғалымдар ғасыр міндеті
деп те жүр. Нақ осы тұрғыдан алғанда, бұл міндетті атқару коллоидты химияға
көбірек тиесілі. Суды ластайтын заттар аса ірі, дисперсті, коллоидты және
молекулалы бөлшектер болып төртке бөлінеді. Олардың арасындағы біріншісі,
яғни аса ірілері тұну процесі кезінде бөлінсе, қалған үшеуі де коллоидты
химиядағы ұю, коагуляция, диффузия, сүзу сияқты процестер көмегімен
тазаланады.
II тарау
БЕТТІК ҚҰБЫЛЫСТАР МЕН АДСОРБЦИЯ
§ 1. Беттік керілу
Беттік керілу, оны анықтау әдістері физика курсында толық талданады.
Сондықтан да бұл тарауда сұйықтар мен қатты денелерде кездесетін беттік
керілу туралы қысқаша қарастырамыз. Беттік керілу бетке перпендикуляр
бағытта сұйық молекуласын ішке қарай тартатын ішкі қысым күшінің әсерінен
пайда болатын құбылыс. Ішкі қысым молекулалық әрекеттесу күштің нәтижесінде
пайда болатындықтан, оның мәні зат полюстілігіне тәуелді, яғни берілген
заттың полюстігі артқан сайын ішкі қысым да көбейеді. Мысалы, судың ішкі
қысымы 14800 атм., бензолдікі 3800 атм. Демек, бензолдан гөрі судың
полюстігі артық.
Ішкі қысым сұйықтың беткі қабатына орналасқан молекулаларды ішке
тартады және сұйықтың беттік шамасын (ауданын) барынша азайтуға,
кішірейтуге тырысады. Сұйықтың беттік мөлшерін азайтуға себепші болатын
барлық шектің бірлік өлшеміндегі ұзындығына әсер етуші күшті беттік керілу
күші немесе жай ғана беттік керілу дейді. Оның өлшем бірлігі – динсм және
бұл күш сұйық бетіне әрқашан перпендикуляр бағытталған. Сұйықтың беттік
қабатын көбейту үшін ішкі қысыммен байланысқан кедергіні жеңуге бағытталған
жұмыс жүргізу керек. Мұндағы қайтымды және изотермалық процестің бірлік
өлшеміндегі бетті тудыруға арналған жұмыс, осы беттің үлесті бос
энергиясына тең және ол эргсм2-пен өлшенеді. Ал, егер эрг-дин∙см екенін
еске алсақ, онда бір шаршы сантиметр бетті жасауға қажетті үлесті бос
энергия шамасы осы беттегі беттік керілу күшіне теңеледі екен (динсм).
Олай болса, осы айтылғанға орай беттің үлесті бос энергиясы беттік керілуге
тең; бұл екі шамада бір таңбамен (δ) өрнектеледі. Ескерте кететін бір жай,
беттік бос энергия жүйенің бір компанентті сұйық болғанда беттік керілу
күшіне теңеледі, яғни таза су, бензол, спирт, май сияқты жеке сұйықтардағы
беттік бос энергияның шамасы оның беттік керілу күшіне тең екен.
Фазааралық шектің беткі қабатында бос энергияның артық болуын әр
түрлі әдістер көмегімен дәлелдеуге болады. Мысалы, сұйық фазаның ішкі
ортасына орналасқан молекуланың өзін қоршаған молекулалармен әрекеттесу
күші орташа күшке айналады және ол күш өрісінің симметриялы болуына
байланысты нөлге теңеледі. Газ бен сұйық фазаларының арасындағы шекті
қабаттағы молекулалар газдан гөрі сұйық молекуласымен көбірек
әрекеттесетіндіктен, ондағы тең әсерлі күш сұйыққа қарай, яғни сұйық
фазаның беткі қабатына перпендикуляр бағытталады. Көлем өзгеріссіз қалатын
жағдайдағы беткі қабаттың ауданын көбейту молекулааралық ішкі күшке қарсы
жұмыс жүргізу кезінде фаза көлеміндегі молекулаларды беткі қабатқа
шығарады. Изотермалық жағдайда жүргізілетін бұл жұмыс беткі қабаттағы бос
энергияның артуына тең. Дәл осы сияқты қатты заттарды ұнтақтау кезінде де
ондағы байланыс үзіліп, әрбір бөлшек саны артқан сайын беткі қабатта
көбейеді және фазааралық беткі қабат артқандықтан, бос энергия жоғарлайды.
Мұндай беткі қабат ауданына сәйкес көбейіп отыратын бос энергия туралы ойды
кез келген фазааралық беткі қабаттарға пайдалануға болады.
3-сурет Адсорбция изотермасы
§ 2. Фазаның жанасу шегіндегі бос энергия
Бір фазаның екінші фазамен жанасу шегінде аса күшті дамыған қабаты бар
жүйелер үшін осы беттерде жүретін құ былыстардың мәні ерекше екенін
білеміз. Ғылыми зерттеулер мен тәжірибелер көрсетіп отырғандай, олардың
бәрі де берілген заттың табиғаты мен беткі қабаттың шамасына тәуелді.
Коллоидты ерітінділер жоғары дисперсті жүйедегі топқа жататындықтан,
олардың дисперсті фаза құрамындағы бөлшектердің беткі қабатынан жинақталған
үлкен беткі қабаты болады. Коллоидты жүйедегі бөлшектердің жинақталған
беткі қабатының қосынды ауданы жайлы ұғымды нақтылы түсіну мақсатымен, бір
текше сантиметр (1см3) қатты денені коллоидты өлшемге дейін ұсақтап, оның
ауданын есептейді. Ұсақтағанда, осы бөлшектердің қосынды массасы мен көлемі
өзгеріссіз қалып, беткі аудан қосындысы көбейеді. (2-кесте).
№2 – кесте Бөлшектердің қосынды массасы, көлемі және беткі аудан
қосындылары.
Қабырға Кубик Қосынды Үлесті Қабырға Кубик Қосынды Үлесті
Ұзындығы, саны бет, см2 бет, ұзындығы,1см саны бет, см2 бет,
1см см-1 см-1
1 1 6 6 1∙10-5 1∙1015 6∙105 6∙105
1∙10-1 1∙103 6∙101 6∙101 1∙10-6 1∙1018 6∙106
1∙10-2 1∙106 6∙102 1∙102 1∙10-7 1∙1021 6∙107 6∙106
1∙10-3 1∙109 6∙103 6∙103 1∙10-8 1∙1024 6∙108 6∙107
1∙10-4 1∙012 6∙104 – – - – 6∙108
Жоғары дисперсті гетерогенді жйедегі беттің кереметтей үлкеюі ондағы
беттік энергияның артуымен байланысты. Мысалы, берілген кез келген
бөлшектің энергия қорының шамасы Е делік. Од шама масса энергиясы (немесе
көлем энергиясы) Еm мен беттік энергиядан Еs тұрады:
E = Em+Es
(10)
Масса немесе көлем энергиясы Em=Km=KV тең, мұндағы m және V масса мен
көлем, К– пропорционалдылық коэффициенті. Кейде беттік бос энергия деп айта
беретін беттік энергия Es интенсивтілік факторы болып есептелетін беттік
керілу δ мен көлемдік (экстенсивті) фактор ретіндегі қосынды бет S шамалары
көбейтіндісіне тең:
Es = δS
(11)
(11) теңдеуді былайша жазуға болады:
E = KV +δS (12)
Бұл теңдеудің екі жағын да көлемге (V) бөлсек, көлемнің бірлік өлшеміне
тиесілі жалпы энергия қорын немесе беттік меншікті энергияны (Ev)
өрнектейтін формула шығады:
EV = Ev = KVV + δSV
(13)
немесе Ev = K + δSV
(14)
Бұл теңдеуден егер бөлшек көлемі (V) үлкен болса, онда теңдеудегі
екінші мүшенің мәні азаяды, оны ескермесе де болады, немесе дисперстілік
дәрежесі жоғарылаған сайын бөлшек көлемі кішірейе түседі де бөлшек
энергиясы негізінен беттік энергиямен байланысады.
Дисперсті фазаны онан әрі молекулаға немесе ионға дейін ұсақтаса,
онда мұның салдарынан фазадағы жанасу шегі жоғалып, беткі қабат жойылады.
Мұндайда (14) теңдеудің оң жағындағы екінші мүше мәні нөлге теңеледі.
Сондықтан да коллоидты- дисперсиялық жүйелерде өте үлкен мәндегі беттік бос
энергия болады. Өйткені олар тіпті аз концентрацияның өзінде де, мысалы,
концентрациясы 0,001% болатын бір литр коллоидты ерітіндідегі бөлшектердің
жанасу шегінің қосынды беті ондаған шаршы метрмен өлшенеді.
Термодинамиканың екінші заңына орай бос энергияның артық қоры болатын
жүйелердегі процестер осы энергия қорын төмендету бағытында өздігінен жүре
алады. Беттік энергия екі шаманың көбейтіндісі арқылы өрнектелгендіктен,
беттің бірлік өлшеміне тисілі энергия қоры азайғанда беттік энергияда азаюы
мүмкін. Коллоидты дисперсиялық бөлшектердің қосынды бетінің азаюы,
бөлшектердің бірігіп, өздігінен үлкеюіне әкеледі, яғни ол коагуляцияланады.
Сол сияқты беттік керілу күшінің азаюы дисперсті ортадағы атомдар мен
молекулалардың беткі қабатқа тартылу салдарынан болуы мүмкін.
§3 Адсорбциялық құбылыстың жалпы сипаттамасы
Берілген дененің (заттың) дисперстілік дәрежесі жоғарлаған сайын, ол
өзінің көбейген бетіне басқа дененің көп бөлшегін сіңіреді. Еріген немесе
газ қалпындағы заттардың қатты дене немесе сұйықтың бетіне өздігінен
жиналып, шоғырлана келіп, қоюлану құбылысын сорбция дейді. Әдетте өзіне
басқаны сіңіруші затты – сорбент, ал оған сіңірілетін затты сорбтив дейді.
Ал сорбцияға кері құбылысты десорбция дейді. Сорбтив бөлшектері сорбентке
қаншалықты терең сіңіуіне байланысты және ондағы пайда болатын өзара әсер
мен байланыс күшіне, табиғатына сәйкес сорбция құбылысын қарастырады. Егер
сіңіру дененің тек беткі қабатында жүретін болса, онда оны адсорбция дейді.
Мұнда да сіңіруші затты адсорбент, ал сіңірілетін затты адсорбтив дейді.
Сорбент пен сорбтив бөлшектерінің табиғаты мен өзара әрекеттесу
сипатына орай, сорбция құбылысын физикалық және химиялық деп бөледі.
Физикалық сорбция әлсіз және қайтымды. Ол тек молекулааралық, яғни ван-дер-
ваальстік күш әсерімен жүзеге асады. Ал химиялық сорбцияны көбіне
хемосорбция дейді және ол қайтымсыз, өйткені ол артық не бос валенттілік
арқылы іске асады. Хемосорбцияның өзі онан әрі жіктеле келіп, абсорбциялық
және адсорбциялық болып бөлінеді. Бұл бөлулер тек шартты ғана.
Капилляр (жіңішке түтікше) конденсациялы сорбциялық процестер деп
аталатын құбылыстың негізгі мәні тек сіңіруде ғана емес, мысалы, активті
көмірдің өз бойына газдар мен буларды сіңіретіні сияқты, жеңілдетілген
қатты қуыс сорбенттердің өз бойына конденсациялануымен де ерекше мәнде
болады. Капиллярлы конденсация ең әуелі оңай да жеңіл қысылатын (сығылатын)
газдарда жиі кездеседі.
Капиллярлық конденсация дегеніміз қатты дене (сорбент) қуысында бу
сияқты заттардың (сорбтивтердің) конденсациялануы. Конденсация құбылысы
температураға, бу серпімділігіне, капилляр диаметріне, қатты сорбенттің
беткі қабатының өзіне сұйық күйдегі сорбтивті жұқтыру қабілетіне
байланысты. Ондағы капилляр түтігі жіңішке болған сайын және олардың
қабырғасы сұйық күйдегі сорбтивті өзіне жақсы жұқтырғанда да
конденсациялану тезірек жүреді
Абсорбция дегеніміз сорбент массасына диффузия арқылы газ енгендегі
сорбция құбылысы. Ол берілген бір заттың (сорбтивтің) екінші бір затта
(сорбентте) еру құбылысына пара-пар. Фаза араларындағы заттың таралуы Генри
заңына бағынады. Қазір абсорбциялық құбылыстар өнеркәсіпте кеңінен
қолданылуда. Мысалы, өнеркәсіптегі тұз қышқылын өңдіру толығымен хлорлы
сутек газын судың абсорбциялау құбылысына негізделген. Нақ осы құбылысқа,
яғни газдардың абсорбциясына сүйеніп газдарды зиянды қоспадан тазартады,
газ қоспасын бөледі. Хемосорбция дегеніміз сіңетін және сіңіретін заттар
арасындағы әрекеттесу терең жүру нәтижесінде жаңа химиялық зат пайда
болатын процесс. Бұған мысал ретінде натронды ізбестің көміртек (IV) оксиді
мен күкірт (IV) оксидін өзіне сіңіріп, карбонат пен сульфат тұздарын
түзетінін келтіруге болады. Хемосорбцияны физикалық сорбция мен
абсорбциядан осы құбылыстар кезінде бөлінетін жылу шамасын өлшеп, ажыратуға
болады.
Адсорбция құбылысы. Термодинамиканың екінші заңына сәйкес бос энергия
қоры бар жүйелер сияқты заттардың жанасу шегінде де бос энергия қоры
болғандықтан, ол өздігінен осы энергияны азайтуға ұмтылады. Бұл адсорбция
және басқа да физикалық құбылыстардың жүруіне тікелей не жанама ықпал етеді
екен. Адсорбция дегеніміз екі фазаның жанасу шегіндегі заттар
концентрациясының өздігінен өзгеруі немесе әдетте біреуі қатты зат болып
келетін екі фазаның жанасу шегіндегі беткі қабатта бір фаза
концентрациясының жоғарылауы. Қалыптасқан терминологияға сәйкес бетіне
басқа зат жинақталатынды – адсорбент, жинақталушыны - адсорбтив немесе
адсорбат дейді.
Адсорбент бетінің 1см2-на сіңген заттың мөлшерін меншікті адсорбция
(Г) деп атайды. Іс жүзінде кез келген адсорбент бетін өлшеу мүмкіндігі бола
бермейтіндіктен, 1кг адсорбентке адсорбцияланған адсорбцияны мольмен өлшеп,
А әрпімен белгілейді:
A = x m
(15)
Адсорбция (А) мен меншікті адсорбция арсындағы байланыс былайша
өрнектеледі:
А = Г∙ S0
(16)
Берілген адсорбентпен адсорбтив үшін меншікті адсорбцияның шамасы
адсорбтив газ күйінде болса температура (Т) мен қысымға (p), ал ерітінді
болса температура (Т) мен концентрацияға (С) тәуелді. Адсорбция шамасы (16)
теңдеу арқылы өрнектелетін болса, онда меншікті адсорбция температура мен
концентрациядан (қысымнан) басқа адсорбенттің беткі қабатының ауданына да
тәуелді болады. Температура, меншікті адсорбция және концентрация (қысым)
сияқты үш өлшемнің математикалық тұрғыдан өзара функционалды байланыста
болатынын жалпы термодинамикалық теңдеумен өрнектеуге болады.:
Г= f ( Т ‚С ) немесе Г= f (Т‚ p ) }
f = ( Г‚ Т‚ С) = 0 немесе f ( Г‚ Т‚ p) =0 }
(17)
Бұл теңдеулерден адсорбция изотермасы (Т= const) деп аталатын және оны
сипаттайтын қосымша теңдеу туындайды:
Г= f (С) немесе Г= f (p)
(18)
Көптеген зерттеулер көрсеткендей адсорбция қайтымды процесс. Адсорбция
жүретін беткі қабаттарда орналасқан молекулалар аса мықты бекітілмеген.
Олардың кейбіреулері адсорбенттің тартылас күші әсер ететін шектен шығып
кетуі мүмкін, яғни ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz