Контрольная работа: Взаимодействия в коллоидных системах

Контрольная работа

по химии

вариант № 11

2009

Содержание

Взаимодействия в коллоидных системах

Взаимодействие двойных электрических слоев и устойчивость коллоидных систем

Уравнение Пуассона-Болъцмана

Контактная теорема и осмотическое давление

Добавление соли и "приближение слабого перекрывания"

Ван дер Ваальсовы взаимодействия и константа Гамакера

Структурные взаимодействия

Гидратные силы отталкивания

Силы, действующие между поверхностями слюды в среде линейного и разветвленного алканов

Гидрофобное притяжение

Силы деплеции

Непосредственное измерение взаимодействий в коллоидных системах

Взаимодействия в коллоидных системах

Потенциал взаимодействия между большими агрегатами или частицами в жидкой дисперсионной среде является эффективным потенциалом. Однако взаимодействие между коллоидными частицами настолько важно, что заслуживает отдельного обсуждения.

Взаимодействие двойных электрических слоев и устойчивость коллоидных систем

Стабилизация или дестабилизация коллоидной системы - это центральная проблема для многих промышленных процессов. Разработаны различные способы ее решения, но наиболее общий подход связан с регулированием электростатических взаимодействий. Если коллоидные частицы заряжены, основное внимание нужно уделять электростатическим взаимодействиям. Заряженные коллоидные частицы присутствуют почти везде - в глине и в почве, в мембранах, в бумаге и в бумажной пульпе, в торфе, красках и т.д. Белки также представляют собой заряженные коллоидные частицы. Заряд коллоидных частиц может возникнуть при диссоциации функциональных групп или в результате специфической адсорбции ионов на частицах. Геометрическая форма частиц может широко варьироваться: в золях присутствуют сферические частицы, глины состоят из плоских частичек, молекула ДНК имеет цилиндрическую форму. Несмотря на это такие системы имеют много общих свойств, которые рассматриваются ниже.

Уравнение Пуассона-Болъцмана

Для простоты ограничим математическое описание двумя плоскими заряженными поверхностями, находящимися друг от друга на расстоянии 2а. Примем, что заряд равномерно распределен по поверхностям, т.е. плотность заряда у одинакова. Согласно результатам моделирования, такую систему можно считать достаточно хорошим приближением. Кроме того, для упрощения примем, что в системе присутствуют только противоионы, способные нейтрализовать заряд поверхностей. Случай с присутствием других солей обсудим позже.

Две заряженные стенки, разделенные раствором, который содержит противоионы. Заряды на стенках равномерно распределены по поверхности и плотность заряда одинакова в любой ее точке. Рассмотрим потенциал ф и объемную плотность заряда р вдали от поверхности. Комбинируя уравнения Пуассона и Больцмана, получают так называемое уравнение Пуассона-Больцмана, описывающее термодинамику заряженной поверхности, которая находится в контакте с водным раствором:

где Z - зарядовое число противоиона и ро-нормировочная константа с размерностью плотности заряда. Уравнение является приближением среднего поля. Уравнение Пуассона-Больцмана для большинства случаев не имеет аналитического решения, поэтому необходимо прибегать к численным решениям. Для рассматриваемого здесь частного случая имеется аналитическое решение:

где величина s задается выражением

Решение этого уравнения можно получить простой итерацией, начиная с предположения, что s = р/4 и решая уравнение относительно tgS₉ что дает более точное значение для S₉ и т.д. На рис. показан типичный концентрационный профиль противоионов со значительным накоплением ионов вблизи заряженных стенок. Особенно простое решение получается в том случае, когда правая часть уравнения становится очень большой. При этом условии s стремится к р/2. Это решение имеет ряд интересных свойств. Рассмотрим, что будет происходить при разбавлении системы. Тогда пристеночная концентрация будет стремиться к предельному значению, которое определяется следующим выражением:

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--