Ерітіндіден конденсация 2 страница

5.Гидродинамикалық фактор-ортаның тұтқырлығымен фазалардың тығыздығының өзгеруімен коагуляция жылдамдығын төмендетеді

6.Аралық факторлар реалды жүйелерге тән.

Лиофобтық зольдердің бөліну шекарасында еркін беттік энергия болатындықтан бет адсорбциялық қабат түзуге бейім болады. Ондай қабаттарды БАЗ немесе белоктардың молекулалары түзеді. Адсорбциялық қабат бөлшектердің барлық бетін жабуы міндетті емес. Беттің 40-60% жабылғанда жүйе тұрақтануы мүмкін. Әрина максималды тұрақтылық толық мономолекулалық қабат түзгенде болады.

Мысалы, алтынның золіне желатинді қоссақ, белок бөлшектерге адсорбцияланып, олардың сыртында қорғағыш қабыршақ түзеді. Желатиннің иондық беті бөлшектерге қосымша оң да, теріс те заряд береді. Белоктың беті су молекулаларын адсорбциялап қосымша қорғауды қамтамасыз етеді. Енді алтын зольіне қосылған натрий хлориді коллоидтық қорғау болмаған кездегіге қарағанда әлсіздеу әсер етеді. Нәтижесінде бөлшектер тұнбайды.

8./ Жаңа фазаның критикалық туынтектері дегеніміз не? Бөлшектердің критикалық радиусына теңдеуді жазыңыз?

9., Дисперсті жұйелерде қандай құрылым механикалық қасиеттермен сипатталады. Олар қандай әдіспен анықталады.

Кеңістіктік қрылымдардың түзілуі дисперсті жүйелердің механикалық (реологиялық) қасиеттерінің едәуір өзгеруіне әкеліп соғады. Мұндай қасиеттер жүйенің көлеміндегі бөлшектердің таралуына және бөлшектер арасындағы контактілердің түрі мен беріктігіне байланысты болғандықтан, оларды құрылым-механикалық деп атайды. Дисперсті жүйелердің құрылым-механикалық қасиеттерін реологиялық әдіс тің көмегімен зерттейді. Реологиялық қасиеттердің дисперсті жүйелердің құрылымына тәуелділігін зерттеу арқылы құрылым түзу процестерінің заңдылықтарын анықтап, әртүрлі композициялық материалдарды өндіру сияқты маңызды технологиялық мәселелерді шешуге болады.

Маңызды реологиялық сиапаттамаларға тұтқырлық, серпімділік, иілгіштік және беріктік жатады. Оларды анықтау үшін сыртқы механикалық кернеудің (Р) әсерінен болатын деформациялар γ (жүйенің бірынғайлығы бұзылатын нүктелердің ығысуы) мен олардың уақытқа тәуелділігін зерттейді.

Деформацияның тҥрі кернеудің түріне байланысты. Дисперсті жүйелердің зерттеулерінде көбіненсе ығысу (жылжу) деформацияларын қарастырады.

Деформациялар қайтымды және қайтымсыз бола алады. Біріншісіне серпімді (Гук деформациялары) мен эластикалық (тежеулі серпімді) деформациялар жатады. Қайтымсыз деформацияларға тұтқырлы ағу (кез келген Р шамасында) мен пластикалық ағу (бір критикалық шамадан үлкен Р үшін) жатады.

Реологияда денелердің механикалық қасиеттері үлгілер арқылы бейнеленеді. Серпімді, тұтқыр және пластикалық қасиеттерді бір элементтен тұратын қарапайым үлгілер - Гуктың идеал серпімді денесі, Ньютонның идеал тұтқыр денесі және Сен-Венан-Кулонның идеал пластикалық (иілгіш) денесі - көрсетеді.

Гуктың идеал серпімді денесі дегеніміз деформациялық тәртібі Гук заңымен γ=P/E немесе P=Eγ бейнеленетін пружинадан тҧрады (1-сурет).

Гук заңы бойынша серпімді дененің деформациясы берілген жҥктеменің шамасына тура пропорционал. Бҧл теңдеудегі пропорционалдық коэффициенті материалдың қатаңдығын сипаттайтын Юнг модуліне (Е) тең. Идеал серпімді денеге деформациялардың толық қайтымдылығы тән, яғни жҥктемені алып тастағанда дененің пішіні лезде орнына келеді.

1-сурет. Гуктың идеал серпімді денесінің ҥлгісі

Ньютонның идеал тұтқыр денесі идеал тҧтқыр сҧйықтықпен толтырылған цилиндрдегі перфорацияланған пор-шень арқылы ҥлгіленеді (2-сурет). Бҧл ҥлгідегі деформация (цилиндрдің қозғалу) жылдамдығы Ньютон заңымен бейнеленеді: γ´ =P/η немесе P=ηγ´,

мҧндағы ε – сҧйықтықтың тҧтқырлық коэффициенті (тҧтқыр-лық); γ´=dγ/dτ- деформация жылдамдығы; τ – деформация уақыты.

γ´=f(P)координаталарының басынан шығатын тҥзу сызық Ньютон заңына сәйкес келіп, оның еңкіш бҧрышының тангенсі η шамасына тең. Ньютондық сҧйықтықтардың тҧтқырлығы жҥктеменің шамасына тәуелсіз.

2-сурет. Ньютонның идеал тҧтқыр денесінің ҥлгісі

Сен-Венан-Кулонның идеал пластикалық (иілгіш) денесі жазықтықта сырғанайтын қатты дене арқылы ҥлгіленеді (3-сурет). «Құрғақ үйкелісті» компенсациялайтын белгілі РТ (аққышқтық шегі) шамасынан ҥлкен жҥктемелерде ғана мұндай дене жазықтықта сырғанай бастайды. Яғни пластикалық дененің деформациясында келесі шарттар орындалады: P<P_T, γ=0,γ´=0; P≥ P_T, γ>0,γ´>0.

3-сурет. Сен-Венан- Кулонның идеал пластикалық денесінің ҥлгісі

Механикалық қасиеттері Қатты дененің механикалық қасиеттерінің бірі – беріктілігі. Материалдардың беріктілігінің сандық сипаттамасы – бір созылу кезіндегі үлгінің үзілуі жүретін шекті кернеу (P_c,Н/м²). Шекті кернеу келесі формуламен анықталады: P_c= f_c /S

Мұндағы, f_c- үзілуге әкелетін созу күші; S-үлгілердің көлденең қимасының ауданы.

Яғни бөлшектің өлшемі кішірейген сайын оның беріктігі артады.

Дисперстік бөлшектерді алу әдістерін екі топқа бөледі: диспергациялық (дисперстеу) және конденсациялық.

Диспергациялық әдістер. Бұл әдістерде заттың ірі (макро-скопиялық) үлгілерін дисперстік өлшемдегі бөлшектерге дейін ұсақтайды. Дисперсиялағанда заттың химиялық құрамы мен агрегаттық күйі өзгермей, тек бөлшектердің өлшемдері мен түрі ғана өзгеріске ұшырайды.

Диспергациялық әдістерді көбінесе дөрекі дисперстік (1 мкм және одан да үлкен) бөлшектерді алу үшін қолданады. Арнайы құралдар арқылы бөлшектердің өлшемдерін 0,1 мкм-ге дейін кішірейтуге болады, бірақ өндірісте әдетте одан ірі бөлшектер алынады.

Қатты денелерді, сұйықтықтарды және газдарды дисперстеу үрдістерінде айтарлықтай айырмашылықтары бар.

Қатты денелерді дисперстеу. Қатты денелерді дисперс-теу үшін механикалық (ұсақтау, үйкелеу) және электрлік (электр өрісінде тозаңдату) әдістерді пайдаланады. Бұл үрдістерді өндірісте цемент өндіруде, тамақ өндірісінде, бидай мен басқа дақылдарды ұнтақтауда, энергетикада (көмірді ұсақтау), бояуларды, толықтырғыштарды алуда кеңінен қолданады. Мұндай өндірістердің көлемдері өте үлкен. Мысалы, дүние жүзінде жылына 1 млрд тоннадан астам ұнтақтар өндіріледі. Сондықтан өндірісте дисперстеуға жұмсалатын қаржы да едәуір көп. Дисперстеу әдістерін одан әрі дамыту жақсы экономикалық нәтижелер береді. Тиімді жолдардың біреуі дененің беріктігін азайтатын беттік құбылыстарды (жұғу, адсорбция, электр-капиллярлық эффекті) пайдалану.

Дисперстеу көптеген табиғи үрдістерде де, мысалы тау жытыстарының эрозиясында, үлкен роль атқарады. Тағы да бір айта кететін жағдай – ұсақ өнімдер, әсіресе ұнтақтардың жоғары дисперсті бөлшектері суды, топырақтарды және ауаны лас-тайды. Сондықтан да дисперстеу (техникалық және табиғи) қоршаған ортаға елеулі зиян тигізеді, осыған байланысты табиғатты қорғаудың арнайы шараларын қолдану қажет.

Қатты денелерді дисперстеудің кең таралған тәсілі – механикалық ұсақтау. Ол көптеген технологиялық үрдістерде қолданылады, арнайы құралдар (диірмендер, ұсақтағыш құралдар және т.б.) да құрастырылған. Мұндай қондырғыларда ұсақталатын денеге күшті механикалық жүктемелер (созылу, ұру) әсер етеді, нәтижесінде үлкен кернеулер пайда болып, ірі денелер ұсақ бөлшектерге дейін ыдырайды. Сынғыш денелерді (шыныны, көптеген минералдарды, керамиканы) ұсақтау үрдісі тиімді жүреді. Иілгіш денелерді (металдарды) ұсақтау қиыны-рақ. Себебі мұндай денелерде механикалық жүктемелер алдымен иілгіш деформацияларды туғызады, одан кейін ғана дене бұзылады. Сондықтан иілгіш денелерді механикалық жолмен дисперстеудің энергиялық шығыны өте үлкен.

Механикалық дисперстеуден басқа бірнеше күрделі тәсілдер бар. Сұйықтықта орналасқан қатты денені ұсақтау үшін тербеліс жиілігі 20 мың Гц болатын ультрадыбыс қолданы-лады. Сұйықтықтың аз көлемінде ультрадыбыс сығылу мен созылудың күрт өзгерістерін туғызады, нәтижесінде дене бұзылып, дисперсияланады. Ультрадыбыс әдісі органикалық сұйықтықтардағы металдардың дисперстік бөлшектерін (орга-нозольдерді) және күкірттің, гипстің, гидрофильді полимер-лердің судағы коллоидтық ерітінділерін алу үшін қолайлы.

10./ Нанодисперсті бөлшектерде байқалатын магниттік қасиеттердің ерекшеліктері қандай?Өнеркәсіптің қандай аймақтарында магнитті нанобөлшектер қолданылады?

Магнитті қасиеттері Көптеген бейорганикалық заттар магнитті өткізгіштік (µ)қасиеттерге ие. Осыған байланысты заттар парамагнитті (µ≥1) немесе диамагнитті (µ≤1) кластарға бөлінеді. Нанобөлшектердің магнитті қасиеттері макробөлшектерден айтарлықтай айырмашылығы бар. Магниттік қасиеттердегі размерлік эффект Кюри нүктесінің төмендеуінен көрінеді. Мысалы, Fe, Co, Ni нанобөлшектерінің Кюри нүктесі олардың макроскопиялық үлгілерінен жүздеген градусқа төмен болады.

Магниттік қасиеттерді негізгі уш топка бөліп қарастыруға болады; диамагнетик, парамагнетик, ферромагнетиктер.

Диамагнетизм (грекше. dia – қалшақтау немесе магнетизм) – магнитті аймаққа қойылған затқа қарама қарсы магниттік қасиеттері бар заттар.

Сыртқы өріс болмаған жағдайда атомдардың магниттікмоменті нөлге тең болғанда, яғни атомдардың барлық электрондарының магниттік моменттері бір бірімен компенсацияланады (мысалы, сутек, инертті газдар, азот, NaCl және т.б.).

Диамагнитті заттарды магниттік өріске енгізгенде, оның атомдары магниттік моменттерге ие болады. Изотропты диамагнетиктердің аз көлемі шамасында Δ V барлық атомдардың бағытталған магниттік моменттері бірдей және векторға қарама қарсы орналасқан.

Диамагниттің магниттік векторы тең:

мунда n ₀ – атомдар концентрациясы, – магниттік тұрақтылық, –магниттік ортаға сіңісу

Барлық диамагнитиктер үшін Осылайша, вектор меншикти магнитті аймақтың магнит индукциясы, сырткы магниттену аркылы диамагнетиктің пайда болуы карама карсы бағытка багытталған. (электриктік аумақтагы диэлектрлерге караганда)

Диамагниттерде

Парамагнетизм (грекше. para – жақын, маңында және магнетизм) – сыртқы магнит өрісіндегі заттар қасиеттерінің магниттеліп, сондықтан парамагнетик ішінде сыртқы өріс әсеріне бағытталған магнит өрісі әсері қосылады.

Парамагнетиктер ­- Сыртқы магнит өрісі болмағанда атомдары нөлден ерекшеленетін магниттік моментке ие заттар. Бұл заттар вектор бағытында магниттеледі. Парамагнетиктерге сілтілік металдар, оттек азот оксиді NO, темірсульфиді жатады.

Сыртқы магнит өрісі болмағанда парамагнетиктің магниттелуі , себебі әр түрлі атомдардың векторы хаосты орналасқан.

мәні парамагнетиктер үшін оң () және и находятся в пределах шегінде орналасады, яғни диамагнетиктердікіндей.

Ферромагнетиктер жоғары оң магниттік қабылдауға ие. Алдыңғы материалдарға қарағанда, ферромагнетиктердің қабылдауы белгілі бір мөлшерде температура мен магниттік өріс кернеулігіне ие. Ферромагнетиктер компенсирленбеген антиферромагнетизм ерекшеленеді. Олардың магниттік қабылдауы магниттік өріс кернеулігіне ие. Алайда бұл жағдайда бірқатар ерекшеліктерге ие. Мұндай қосылыстарға әртүрлі оксидтік қосылыстар жатады.

Келтірілген барлық магнетиктерді тағы да екі категорияға бөледі. Яғни магниттік жұмсақ және магниттік қатаң материалдар. Магниттік қатты коэрцивтивті күш жоғары мәнге ие заттар жатады. Оларды қайта магниттеу үшін күшті магниттік өріс жасау керек. Мұндай магнетиктерді тұрақы магнетиктер дайындауда қолданады.

11./ Коагуляциялық құрылымдардың түзілуі және олардың қасиеттері. Коагуляциялық құрылымдарға бөлшектердің концентрациясының, пішіндерінің, температураның әсері қандай.

Дисперсиялық ортасы сұйық дисперсті жүйеде пайда болатын құрылымның түрі агрегаттық тұрақтылығымен анықталады. Құрылымдар дисперстік фаза бөлшектерінің арасындағы тартылу не тебісу күштеріне байланысты.

Егер тартылу күштері басым болса, бірінші типтегі құрылымдар түзіліп, дисперсті жүйеде фаза бөлшектерінен тұратын үш өлшемді тор (қаңқа) пайда болады. Бөлшектер арасындағы контактілердің саны мен беріктігі құрылымның беріктігін анықтайды. Сонымен қатар, мұндай контактілердің беріктігі бөлшектер арасындағы беттік күштердің балансына тәуелді.

Егер бөлшектердің әрекеттесуі тебісу күштерімен анықталса, дисперстік фазаның белгілі концентрациясында беттік қабаттар (қос электрлік қабаттың диффузиялық бөліктері) айқасып, жүйеде екінші типтегі құрылымдар түзіледі.

Құрылымның реттелу дәрежесі мен бөлшектердің орналасу тығыздығы бөлшектердің пішіні мен өлшеміне және жүйенің полидисперстілігіне тәуелді. Бөлшектері монодисперсті және олар броуныдық қозғалыста болса, мұндай үш өлшемді құрылымның реттілігі жоғары болады. Белгілі жағдайда мұндай жүйелер сұйық кристалды күйге ауысады. Осындай жүйелердегі дисперстік фаза элементтері ретінде қатты бөлшектер (әсіресе, анизотроптық), БАЗ мицеллалары, супрамолекулалар, қатаң тізбекті поимерлердің молекулалары бола алады. Жалпы айтқанда, мұндай жүйелерді лиотрпотық сұйық кристалдар деп атайды.

Бірінші типтегі құрылымдардың түзілуі агрегация (коагуляция) процестеріне ұқсас беттік энергияның артық мөлшеріне байланысты және осы энергияның азаюымен өздігінен жүреді. Бөлшектердің әрекеттесуі мен олардың арасындаа байланыстардың түзілу мүмкіндігі тартылу және тебісі күштерінің тепе-теңдігімен анықталады. Дисперсті жүйелердің тұрақтылық теориясына (ДЛФО теориясына) сәйкес потенциалды қисықтары (бөлшектердің әрекеттесу энергия-сының олардың арақашықтығына тәуелділігі) келесі түрде бо-луы мүмкін (59-сурет).

Бірінші қисықта жақын энергиялық минимум U₁^min және потенциалды тосқауыл ∆E = U^max бар, тосқауылдың биіктігі >(10-15) kT. Бөлшектердің орташа кинетикалық энергиясы мұндай тосқауылдан өтуге жеткіліксіз, сондықтан жүйе агрегаттық тұрақты болып қалады. Агрегаттар түзілмей құрылымдар да пайда болмайды. Бірақ белгілі жағдайда мұндай жүйеде екінші типтегі құрылымдар түзілуі мүмкін.

Екінші нұсқада потенциалды қисықта энергиялық тосқауылмен (U^max) қатар екі минимум бар: жақын (U₁^min) және алыс (U₂^min). Егер U^max >(10-15) kT және | U₂^min |> kT болса, бөлшектер арсында дисперсиялық ортаның қабаты қалып, коагуляциялық құрылымдар түзіледі. Потенциалды қисық-тардың мұндай түрі үлкен бөлшектердің әрекеттесуіне тән.

Үшінші турдегі қисықтар толығымен энергияның теріс мәндеріне сәйкес, нәтижесінде бөлшектер бір біріне жақындап, жабысады.

59-сурет. Дисперсті бөлшектердің әрекеттесуін сипаттайтын потенциалды қисықтар

Бөлшектер арасындағы байланыстардың беріктігі олардың жабысуының орташа күшімен сипаттайды. Агрегаттар не-месе кеңістіктік құрылымдар түзілгенде бөлшектер арасындағы контактілерді коагуляциялық, атомдық және фазалық деп бөледі.

Бөлшектер екінші энергиялық минимумда әрекеттескенде олардың арасында коагуляциялық контактілер пайда болады. Коагуляциялық контактілдердің беріктігі . Механикалық бұзылудан кейін коагуляциялық контактілер өздігінен қайта түзіле алады.

Бөлшектер бір біріне түйісіп, бірінші энергиялық минимумда әрекеттесіетін болса, атомдық контактілер пайда болады. Олардың беріктігі . Атомдық кон-тактілер де қайтымды бұзылады.

Фазалық контактілер бірінші энергиялық минимумда бөлшектер бір біріне жабысқанда пайда болады. Фазалық контактілердің берікті ең үлкен () және бөлшек-тердің беріктігімен анықталады. Фазалық контактілер қайтым-сыз бұзылады.

Дисперстік фазаның аз концентрациясында бөлшектердің әрекеттесу нәтижесінде жеке агрегаттар ғана пайда болып, құрылымдар түзілмейді. Дисперсті жүйелердегі кеңістіктік құрылымдар дисперстік фазаның белгілі концентрациясында түзіледі, оны құрылым түзудің бірінші критикалық концентра-циясы (φ _cr1) деп атайды. φ < φ _cr1 болғанда, бөлшектердің мөлшері құрылым түзуге жеткіліксіз.

φ _cr1 мәні бөлшектердің өлшемі мен пішініне, тұрақ-тандырғышқа, электролиттердің концентрациясы мен табиға-тына тәуелді. Құрылым түзгіш қабілеттілікті, яғни аз φ _cr1 шамаларын жоғары дисперсті жүйелер және анизоторптық пішіндегі бөлшектері бар жүйелер көрсетеді.

П.А.Ребиндердің ұсынуымен бірінші типтегі құрылымдар-ды коагуляциялық және конденсациялық деп бөледі.

Коагуляциялық құрылымдар. Коагуляциялық құрылым-дардың негізгі көрсеткіші – дисперстік бөлшектер бір-бірінен жұқа сұйық пленкалар арқылы бөлініп, бір-бірімен коагуляция-лық немесе атомдық контактілер арқылы бірігеді. Коагуляция-лық контактілердің механикалық беріктігі төмен. ДЛФО тео-риясы бойынша, жұқа сұйық пленкалар болғандықтан бөлшектер арасындағы байланыстар әлсіз молекулалық күштер арқылы түзіледі. Нүктелі коагуляциялық контактілердің төмен беріктігі олардың кіші ауданына байланысты.

Коагуляциялық құрылымдар әдетте, бос дисперстік жүйе-лердің агрегаттық тұрақтылығының бұзылуына және коагуля-циясына байланысты. Коагуляциялық құрылымдардың түзілуі мен қасиеттеріне бірнеше фактор әсер етеді, олар:

- коллоидтық ерітіндідегі бөлшектердің концентрациясы;

- дисперстік бөлшектердің формасы (түрі);

- температура;

- механикалық әсер (араластыру)

Осы факторлардың әсерін қарастырайық.

1. Бөлшектер концентрациясының өсуі коагуляциялық құрылым беріктігінің (Р) артуына әкеледі. Себебі дисперстік бөлшектер арасындағы контактілер саны көбейіп, келесі қатынас орындалады:

(17.1)

мұндағы - контактілер саны (құрылымның кескін аудан бірлігіндегі), р - жеке контактінің беріктігі.

Гидрофобты жүйелердегі жоғары дисперсті бөлшектер арасындағы контакт беріктігі 10^-10 – 10^-9 Н аралығында өзгереді.

2. Бөлшектердің формасының әсері айтарлықтай, әсіресе бөлшектер таяқша тәрізді болса. Мұндай жағдайда коагуляция-лық контактілер бөлшектердің жіңішке шеттерінің арасында түзіледі. Нәтижесінде ұяшықтарында сұйық дисперсиялық орта болатын үш өлшемді құрылым («тор») түзіліп, мұндай коагуляциялық құрылымдар гель деп аталады.

3. Температураның артуымен коагуляция, яғни коагу-ляциялық құрылымның түзілуі жылдамдайды. Сонымен қатар, температураның артуымен коагуляциялық құрылымның берік-тігі де азаяды, себебі жылулық тербелістердің әсерінен коагуляциялық контактілердің бір бөлігі бұзылып, олардың контактілер саны азаяды.

4. Коагуляциялық құрылымға механикалық әсер көрсетсе, бөлшектер арасындағы контактілер бұзылғандықтан құрылым-ның беріктігі төмендейді. Жеткілікті қарқындылықпен әсер етсе, құрылым толық бұзылып, жүйе бос дисперстіге айналуы мүмкін: Ол беріктігін жоғалтады, бірақ аққыштық қасиетіне ие болады. Жүктеменің әсерінен қасиеттердің мұндай өзгеруі пасталар мен сазды тау жыныстарына тән.

Дата добавления: 2014-12-24