Физколлоидная химия - это наука, которая изучает химические и физические свойства поверхностных явлений и дисперсных систем.
Определения
Физколлоидная химия связана с дисперсными системами. Под ними принято понимать такие состояния, в которых одно либо более веществ находятся в диспергированном (раздробленном) состоянии по массе второго вещества. Раздробленную фазу именуют дисперсной фазой. Дисперсионной средой называют среду, в которой в раздробленном виде находится дисперсная фаза.
Адсорбция и поверхностные явления
Физколлоидная химия рассматривает поверхностные явления, которые протекают на поверхности раздела дисперсных систем.
Среди них отметим:
- смачивание;
- поверхностное натяжение;
- адсорбцию.
Физколлоидная химия анализирует важные технические процессы, касающиеся сточных вод и очистки воздуха, обогащения полезных ископаемых, сварки металлов, окрашивания разных поверхностей, смазки, чистки поверхностей.
Поверхностное натяжение
Органическая и физколлоидная химия объясняют явления, происходящие на поверхности раздела фаз. Проанализируем систему, которая состоит из газа и жидкости. На молекулу, которая находится внутри системы, действуют силы притяжения со стороны ближайших молекул. На молекулу, которая располагается на поверхности, также оказывают действие силы, но они не скомпенсированы.
Причина в том, что в газообразном состоянии расстояния между молекулами достаточно большие, силы практически минимальны. Внутреннее давление пытается затянуть вглубь молекулы жидкости, в итоге происходит сжатие.
Для создания новой поверхности раздела фаз, к примеру, растягивания в пленку, необходимо совершить работу против внутреннего давления. Между затрачиваемой энергией и внутренним давлением существует прямая зависимость. Энергию, сосредотачиваемую в молекулах, расположенных на поверхности, считают свободной поверхностной энергией.
Основы термодинамики
В основные задачи физколлоидной химии входит вычисление по термодинамическим уравнениям. В зависимости от рассматриваемой реакции, можно определить возможность ее самопроизвольного протекания.
Из-за неустойчивости термодинамических систем протекают процессы, которые связаны с укрупнением частиц, сопровождающимся снижением поверхности раздела фаз.
Причины изменения термодинамического состояния
Какие факторы оказывают воздействие на величину поверхностного натяжения?
В первую очередь важно выделить природу веществ. Величина поверхностного натяжения напрямую связана с особенностями конденсированной фазы. При увеличении полярности связи в веществе происходит рост силы натяжения.
На состояние на границе раздела фаз влияет и температура. В случае ее повышения уменьшаются в веществе силы, действующие между отдельными частицами.
Концентрация веществ, растворенных в анализируемой жидкости, также оказывает влияние на состояние термодинамической системы.
Существует две разновидности веществ. ПИВ (поверхностно-инактивные вещества) повышают величину натяжения раствора в сравнении с идеальным растворителем. Такими веществами являются сильные электролиты. ПАВ (поверхностно-активные вещества) понижают величину натяжения на границе раздела в образующемся растворе. При увеличении этих веществ в растворе наблюдается их концентрация в поверхностном слое раствора. Полярными органическими соединениями являются кислоты, спирты. Они имеют в своем составе полярные группы (амино-, карбоксильную, гидроксо-), а также неполярную углеводородную цепь.
Особенности сорбции
Физколлоидная химия (СПО) включает в себя раздел, касающийся сорбционных процессов. Адсорбция - это процесс самопроизвольного изменения в поверхностном слое концентрации веществ относительно их количества в объеме фаз.
Адсорбентом является вещество, на поверхности которого осуществляется осаждение. Адсорбтив - это вещество, способное к осаждению. Адсорбат – осажденное вещество. Десорбция - это процесс, обратный адсорбции.
Виды сорбции
Преподаватель физколлоидной химии рассказывает о двух видах адсорбции. В случае физического осаждения происходит выделение незначительного количества энергии, которое сравнимо с теплотой конденсации. Этот процесс обратим. В случае повышения температуры адсорбция снижается, увеличивается скорость обратного процесса (десорбции).
Химический вариант адсорбции необратим, с поверхности уходит не адсорбтив, а поверхностное соединение. При хемосорбции теплота высокая, она соизмерима с размером теплового эффекта химической реакции. При повышении показателя температуры возрастает хемосорбция, повышается взаимодействие между веществами.
В качества примера хемосорбции отметим адсорбцию поверхностью металла кислорода из воздуха, его изучает физколлоидная химия. Задачи и решения часто связаны с определением величины натяжения, возникающего на границе раздела двух сред.
Чтобы количественно описать ярко выраженную адсорбцию, используют абсолютную адсорбцию. Она характеризует количество адсорбата (в моль), приходящееся на единицу площади взятого адсорбента. В планы физколлоидной химии входит количественное определение данной величины.
Характеристика адсорбентов
Физическая и коллоидная химия особое внимание уделяет анализу типов адсорбентов, их практическому применению. В зависимости от размера поверхности адсорбента, возможно разное количество адсорбированного вещества. Самыми результативными адсорбентами считают вещества, имеющие развитую поверхность: коллоиды, порошки, пористые реагенты.
В качестве основных количественных характеристик адсорбентов выделяют удельную поверхность и объемную пористость. Первая величина показывает отношение поверхности адсорбента к массе. Вторая характеристика предполагает особенности его структуры.
В коллоидной химии выделяют две разновидности адсорбентов. Непористые вещества созданы сплошными частицами, образующими пористую структуру «порошковой диафрагмы» при плотной упаковке. В качестве пор между ними выступают промежутки между крупинками вещества. Структура может иметь микро- или макропористую структуру. Пористыми адсорбентами являются структуры, которые состоят из зерен, имеющих внутреннюю пористость.
В физической химии особое внимание уделяется характеристике грубодисперсных систем. Ими являются порошковые составы, которые образуются из зерен порошка при прессовании либо плотной упаковки их в трубки. Полученные системы имеют определенные термодинамические характеристики, изучение которых и является основной задачей физколлоидной химии.
Существует подразделение процесса (с учетом природы адсорбтива) на ионную, молекулярную, коллоидную адсорбцию. Молекулярный процесс связан с растворами слабых электролитов либо диэлектриков. Происходит адсорбция растворенных веществ на поверхности твердого адсорбента.
Часть активных центров на поверхности адсорбента занимают молекулы растворителя. При прохождении процесса осаждения молекулы растворителя и адсорбтива выступают конкурентами.
Заключение
Физическая и коллоидная химия являются важными разделами химии. Они объясняют основные процессы, происходящие в растворах, позволяют проводить расчеты количеств теплоты, выделяющегося (поглощаемого) при образовании новых веществ. Основным законом, используемым при проведении количественных расчетов, является закон Гесса. Он связывает между собой несколько термодинамических характеристик, присущих веществам: энтальпию, энтропию, энергию. Термодинамический процесс образования сложных веществ из простых (исходных) компонентов можно рассмотреть с точки зрения закона Гесса. Проведенные расчеты позволяют определить эффективность процесса.
