DISPERZNÍ SOUSTAVY. heterogenní: podle skupenství disperzního podílu. menší) větší)

Transkript

1 DISPERZNÍ SOUSTAVY soustavy, kteé obsahují alespoň dva duhy hmoty (dvě áze nebo dvě složky), jeden duh je ozptýlen ve duhém ve omě více nebo méně jemných částc. dd ssppeezznní í ppooddí íll dd ssppeezznní í ppoosst třřeeddí í ozptýlený duh spojtý duh Klass kacce e dsspeezzní ícch ssousst tavv podle ppooččt tuu áázzí í: : homogenní dspezního postředí heteogenní: podle skupenství dspezního podílu podle vveel lkkoosst t čč áásst tcc: hubě dspezníí p kolodněě dsspeezzní p í podle tvvaauu t čč áásst tcc: aannaal llyyt t cckkyy dd s sppeezznní íí ggl loobbuul láánněě dspezní (zometcké částce) laam l nnáánněě dspezní (anzometcké částce, jeden ozmě je řádově menší) bb láánněě dspezní (anzometcké částce, jeden ozmě je řádově větší) podle nnt teeaakkccí í meez dd ssppeezznní ím ppoosst třřeeddí ím aa dd ssppeezznní ím čč áásst tcceem : lyyoo l lnní í - výazná anta mez částcem a postředím lyyoo l oobbnní í - velm nízká anta mez částcem a postředím podle nnt teeaakkccí í meez dd ssppeezznní ím čč áásst tcceem: vvool lnnéé (soly, kolodní oztoky...) vváázzaannéé (gely, koncentované suspenze, pasty..) podle ppooččt tuu mool leekkuul l vv dd ssppeezznní podle oozzdděěl leenní í vveel lkkoosst t čč áásst tcc: Veel lkkoosst t čč áásst t Roozzdděěl loovvaaccí í uunnkkccee vveel lkkoosst ččáásst tcc í čč áásst tcc : mool leekkuul láánní í ppool lyymool leekkuul láánní í moonnoodd ssppeezznní í s částcem o jedné velkost ppool lyydd ssppeezznní í s částcem ůzných velkostí ccee - lneáním ozměem, hmotností, objemem,plochou povchu, stupeň dspezty - pomě povchu částc k jejch objemu je úměný ecpoké hodnotě lneáního ozměu akce - skupny částc přblžně stejné velkost podle ozměů částc podle hmotnost částc Deencální ozdělovací unkce F() - podíl částc se stejnou velkostí d m () d N FW =, popř. F () N = m d N d Integální ozdělovací unkce I() - podíl částc s poloměem ovným nebo větším než učtá zvolená hodnota Doplňkové ntegální ozdělovací unkce Q() - podíl částc s poloměem ovným nebo menším než učtá zvolená hodnota Q () = F ()d C I() = F()d 0 C Dspezní soustavy 1

2 Klaskace dspezních systémů podle velkost částc ANALYTICKÉ DISPERZE d < 10 9 m ******** optcké vlastnost ******** částce nejsou vdtelné an v elektonovém mkoskopu *** pocházejí ltačním papíem *** membánam ******* knetcké vlastnost ******* vykonávají velm ntenzvní tepelný pohyb ychle dundují nesedmentují an v ultacentuze vyvolávají velký osmotcký tlak KOLOIDNÍ DISPERZE 10 9 < d < 10 6 m ******************** optcké vlastnost ********************* nejsou vdtelné v mkoskopu, ale v ultamkoskopu nebo elektonovém mkoskopu, většnou půhledné, často výazně baevné, v bočním osvětlení opaleskují (Tyndallův eekt; ozptyl světla) *************** pocházejí ltačním papíem, *************** ale ne někteým membánam ******************* knetcké vlastnost ******************* vykonávají slabší tepelný pohyb než analytcké dspeze, ale ntenzvnější než hubé dspeze. Intenzta pohybu oste se stupněm dspezty pomalu dundují sedmentují pomalu vyvolávají malý osmotcký tlak (oste se stupněm dspezty, neboť oste počet částc) HRUBÉ DISPERZE mko 10 6 < d < 10 5 m mako d > 10 5 m ******** optcké vlastnost ******** vdtelné pouhým okem nebo v mkoskopu, zákal, nepůhlednost ******* nepocházejí papíem ****** an membánam ******** knetcké vlastnost ********* vykonávají velm slabý tepelný pohyb nedundují sedmentují ychle nevyvolávají osmotcký tlak ****** způsob vznku a stablta ****** ***************** způsob vznku a stablta ***************** ****** způsob vznku a stablta ****** Molekulání Molekulání Polymolekulání Polymolekulání Roztoky makomolekul Asocatvní kolody Heteogenní kolody vznkají samovolným ozpouštěním (místelnost omezená nebo neomezená) jsou stálé vznkají ozpouštěním. samovolným Řídí se temodynamkou pavých oztoků, když velm nedeálních stabltou se podobají pavým oztokům. vznkají ným ozpouštěním samovol- a následující asocací jsou stablní nevznkají samovolně, ale umělým dspegováním nebo sážením jsou nestálé - koagulují, sedmentují, stánou jsou vždy homogenní; tvoří jednou áz jsou homogenní jsou heteogenní, mají obovskou plochu ázového ozhaní, stoupá se stupněm dspezty *********** gelatnzace ********** nenastává *********************** gelatnzace *********************** změna chaaktestcká po kolodně dspezní systémy lyolní a někteé lyoobní soly Př koncentacích dspezního podílu vyšších než učtá mez agegují dspezní částce v síťovtou stuktuu, kteá v sobě uzavíá značné množství dspezního postředí. Spojté je nejen dspezní postředí, ale dspezní podíl. nevznkají samovolně, tuhou látku je nutno mechancky ozmělnt na částce žádané velkost a ozptýlt jsou nestálé, samovolně zankají (sedmentací a koagulací) jsou vždy heteogenní, velkost plochy ázového ozhaní je menší než u kolodních systémů *********** gelatnzace ********** pouze výjmečně

3 Střední molání hmotnost hmotnostně střední molání hmotnost (hmotnostní půmě moláních hmotností) - metodam, kteé měří velčny úměné hmotnost nebo objemu částce (ychlost duze, sedmentace, ozptyl světla) Σ( m M) Σ( w M) MW = = =Σ( W M ) Σm Σw W (= m /Σm ) je hmotnostní zlomek jednotlvých akcí w = (m /V) hmotnostní koncentace početně střední molání hmotnost (početní půmě moláních hmotností) - měřením kolgatvních vlastností (osmomete, popř. kyoskope nebo ebuloskope) Σ( N M) Σ( c M) M N = = =Σ( x M) ΣN Σc N je počet částc -tého duhu, x (= N /ΣN = c /Σc ) je molání zlomek, c = (n /V) = (N /N A V) = w /M KIINETIICKÉ VLASTNOSTII DIISPERZNÍÍCH SOUSTAV jsou dány tepelným pohybem dspezních částc, jehož ntenzta záleží komě teploty především na velkost a tvau částc DIIFUZE - samovolné vyovnávání koncentací v soustavách s koncentačním gadentem v důsledku tanslačního pohybu částc Ryycchhl loosst t dd uuzzee vyjadřována duzním tokem J d - látkové množství dundující složky, kteé za jednotku času pojde jednotkovou plochou kolmou ke směu duze ve staconáním postředí J d = součn střední ychlost toku částc, u d d d n d, a jejch koncentace c : J = = u c A d τ II.. FF cckkůůvv zzáákkoonn po jednoozměnou staconání duz d d c J = D d x D - duzní koecent [m 2 s 1 ] - látkové množství dundující složky, kteé pojde jednotkovou plochou za jednotku času př jednotkovém koncentačním gadentu. Enstte nova ovn ce po duzní í koe centt - vztah mez duzním koecentem, koecentem tření a absolutní teplotou (1908( Ensten) kb T D = Po kulovté částce velké pot molekulám ozpouštědla - Stokesova ovnce = 6 π η o Duze velkých kulovtých částc ve zředěných dspezích s kapalným dspezním postředím (malé molekuly) Enstenova-Stokesova ovnce kb T D = 6π η Hodnota duzního koecentu stoupá s teplotou (členem k B T, vskozta kapalného dspezního postředí s teplotou klesá) klesá se vzůstající vskoztou postředí s ostoucím poloměem částce o Dspezní soustavy 3

4 ychlost duze v kolodně dspezních systémech je značně menší než u analytckých dspezí a v hubých dspezích je neměřtelná po kulovtou částc známého poloměu - duzní koecent nebo ze změřeného duzního koecentu vypočítat polomě u nekulovtých částc - hydodynamcký polomě - polomě hydodynamcky ekvvalentní koule, kteá má za dané teploty ve stejném dspezním postředí stejný kční koecent. Sedmenttace dspezníích e systtémů Částce dostatečně velké hmotnost se působením gavtačního pole usazují sedmentují, v systému se po učté době ustaví ovnovážné ozdělení částc nebo se všechny částce, jsou-l dostatečně těžké, usadí. Rychlost sedmentace ( u u ) sed d v gavtačním pol Vlvem gavtace se částce zpočátku pohybuje zychleně - př malých ychlostech převyšuje gavtační síla, zmenšená o vztlak. Se zychlováním pohybu úměně vzůstá třecí síla a v učtém okamžku se síly vyovnají: v odstředvém pol Slové pole ultacentugy může být řádově až 10 6 kát větší než zemská gavtace. Poto je zde sedmentace mnohem ychlejší. V ustáleném stavu je odstředvá síla, zmenšená o vztlak, ovna síle tření: υ g ρ υ g ρo used =0 υ ω 2 x ρ υ ω2 x ρo used =0 V ustáleném stavu se částce pohybuje konstantní ychlostí Částce, vzdalující se př odstřeďování od osy otáčení, se pohybuje poměnnou, stále vzůstající ychlostí d x υ ω 2 x u sed = =.( ρ ρo) dτ y υ g M g ρo used = = ( ρ ρo) = 1 τ NA ρ Časová závslost výšky, v níž se nachází dspezní Časová závslost vzdálenost dspezní částce od částce: osy otáčení: υ g υ ω2 y = ( ρ ρo) τ ln x = ( ρ ρ o) τ + konst sedmentační koecent - ychlost sedmentace v pol o jednotkovém zychlení (obvykle v sekundách, popř. v jednotkách Svedbeg = s) - vyjádření expementálních dat získaných měřením ychlost sedmentace pomocí velčny nezávslé na síle pole: s = u ln ( x / x ) sed 2 1 = 2 2 ω x ω ( τ τ ), popř. u s = sed g 2 1 S vlastnostm soustavy souvsí vztahem υ ( ρ ρo) M D ρo s = = 1 R T ρ Dspezní soustavy 4

5 Kulovtá částce, velká ve sovnání s molekulam dspezního postředí: = 6 πη o ; υ = 4 π 3 /3 2 ( ρ ρ 2 u sed = o) g 9 η Rychlost sedmentace kulovtých částc je nepřímo úměná vskoztě postředí, přímo úměná ozdílu hustot dspezního podílu a dspezního postředí a čtvec poloměu částce. Sedmentační ovnováha u sed Pot usazování částc působí duze; kteá je u hubých dspezí neměřtelná; u analytckých dspezí naopak nedochází k měřtelné sedmentac. U kolodních dspezí mohou být oba pochody vyovnané a ustaví se sedmentační ovnováha. Rychlost sedmentace u sed, se ovná ychlost duze opačným směem u d, koncentace v dané výšce se nemění s časem. Rychlost duze - 1.Fckův zákon. v gavtačním pol ntegací: ozložení koncentací dspezních částc jako unkce výšky M g ρo ln c= (1 ) y+ konst. R T ρ o u d v odstředvém pol υ ω 2 x 1 c ( ρ ρo) D =+ c x T, p (kladné znaménko: slové pole působí ve směu ostoucí vzdálenost od osy otace, x, a koncentační gadent je kladný, dc/dx > 0) ntegací: ozložení koncentací dspezních částc v závslost na vzdálenost od osy otace M ω2 ρo ln c= (1 ) x2 + konst. 2 R T ρ υ - objem sedmentující částce, m (= υ ρ) její hmotnost, M (= υ ρ N A ) hmotnost jednoho molu dspezních částc, ρ její hustota, ρ o hustota dspezního postředí, je koecent tření, ω = 2 π n - úhlová ychlost otáčení, n počet otáček, x - vzdálenost dspezní částce od osy otáčení, y - výška, v níž se nachází částce sedmentující v gavtačním pol OSMÓZA tok dspezního postředí ze zředěnějšího systému do koncentovanějšího (vz ázové ovnováhy) Osmotcký tlak π - přetlak na staně koncentovanějšího systému, kteým se zastaví půtok ozpouštědla membánou Po velm zředěné deální oztoky van t Hoova ovnce n2 w π = RT = c 2 2 RT = ν2 kb T = R T, V M nedeální oztoky: c 2 υ g ν 2 = N 2 /V w 2 = m 2 /V ( ρ ρo) = D c y T, p 1 c w D = π = R T + B w2 + C w2 + M 2 koncentace v molech na objemovou jednotku. počet částc v jednotkovém objemu, hmotnost dspezního podílu v jednotce objemu (hmotnostní koncentace) m 2 celková hmotnost dspeního podílu v objemu V, M 2 početně střední molání hmotnost (hmotnost jednoho molu dspezních částc), Dva ůzně koncentované oztoky oddělené membánou: π = [(Σc) II (Σc) I ] R T Měření osmotckých tlaků - stanovení hmotnost, popř. poloměu dspezních částc. Osmotcký tlak klesá, jestlže se částce slepují nebo tvoří agegáty, naopak vzůstá př ozpadu agegátů. Roztoky elektolytů- v důsledku dsocace vzůstá počet částc: A n B m = n A m+ + m B n Σc = c 2 (1 α) + n c 2 α + m c 2 α = c 2 [(1 + α (n + m 1)] A n B m A m+ B n kb T 2 Dspezní soustavy 5

6 Příklad: ME B Y MEMBRÁNOVÉ ((DONNANOVY)) ROVNOVÁHY A n B m = n A m+ + m B n n m n c c = c c m ( + ) I ( ) I ( + ) II ( ) II M z P = z M + + P z, M 2 A = 2 M + + A 2 c 2 mol dm 3 M z P c 1 mol dm 3 M 2 A 2 2 M A Levý M ( c c ) = ( c c ) A Pavý Blance: na počátku v ovnováze Levý Pavý Levý Pavý P 20 c 2 0 c 2 0 M + z c 2 +2 c 1 0 z c 2 +2 c 1 2 x 2x A 2 c 1 0 c 1 x x MEMBRÁNOVÁ HYDROLÝZA Na + R + H 2 O = R + H + + NaOH na počátku v ovnováze L P L P R c c Na + c c x 1 x 1 OH x 1 H + x 1 Podmínka ovnováhy - po pocházející onty, tj. Na + a OH : (a Na + a OH ) L = (a Na + a OH ) P kde (a OH ) L = K v /(a H +) L Meembánovéé sseepaačční í pocceessy dalýza elektoultaltace elektodalýza ultaltace V poovnání s klasckým sepaačním metodam (kystalzace, extakce, adsopce, absopce, destlace)- membánové pocesy často ychlejší levnější účnnější Přednost: dělení pobíhá za nízkých teplot. a bez přídavku dalších látek Dspezní soustavy 6

7 R Á K REOLOGIICKÉ CHOVÁNÍÍ KOLOIIDNÍÍCH DIISPERZÍÍ je ovlvňováno vskoztou dspezního postředí koncentací částc velkostí částc tvaem částc nteakcem částce-částce a částce-dspezní postředí Tok - elatvní pohyb sousedních elementů mateálu. Tečné napětí mez dvěma paalelním ovnam tekutny, kteé jsou v elatvním pohybu - přímo úměné gadentu ychlost mez vstvam tekutny: Newtonův zákon: τ xy du = η dy τ xy (= F x /A [N m 2 ]) tečné napětí působící ve směu osy x v ovně kolmé k ose y u x - ychlost toku ve směu osy x, du x /dy - gadent ychlost, η - dynamcká vskozta - konstanta úměnost (ozmě (hmotnost) (délka) 1 (čas) 1 ; v SI [kg m 1 s 1 = Pa s], staší hodnoty v Posech (1 Pose (označení P) = 0,1 Pa.s) ϕ = 1/η - ludta, ecpoká dynamcká vskozta, ν = η/ρ knematcká vskozta; [m 2 s 1 ] Vskozta kapaln s ostoucí teplotou klesá - závslost bývá vyjadřována Andadeovou ovncí: B ln η = A+ (A, B jsou konstanty) T KAPALINY NEWTONSKÉ NENEWTONSKÉ pomě tečného napětí a ychlostního gadentu τ xy η = = konst. ( ) ( dux / dy) = τ xy η = xy ( d ux /d y) τ konstantní unkce tečného napětí nebo ychlostního gadentu vskozta zdánlvá vskozta Vsskozzttníí anomálle - zdánlvá vskozta se mění s ychlostním gadentem psseudopllassttctta nesouvslé asocační stuktuy, neustále vznkající a opět zankající, ozbíjejí se se vzůstajícím střžným napětím, zmenšuje se počet přechodných asocačních spojů, knetckým jednotkam jsou menší a jednodušší celky a poto vskozta systému klesá pllassttctta předpokládá vytvoření úplné stuktuy s tvalým asocačním spoj, kteá odolává napětím menším než statcká mez toku, ale ozušuje se př větších napětích, kdy se systém začíná chovat jako kapalna, zpočátku vysoce vskózní, pozděj dobře tekutá (newtonské, anomální pseudoplastcké kapalny tečou př sebemenším napětí a poto křvka závslost střžného napětí na ychlostním gadentu pochází počátkem) τd - Bnghamova (dynamcká) mez toku - hodnota napětí odečtená jako půsečík přímkové část s osou. τ - statcká mez toku s x Dspezní soustavy 7

8 d llattance - př m alých napětích gadent ychlost oste úměně s napětím (vskozta je konstantní jako u newtonských kapaln); př větších slách náhlý vzůst vskozty a gadent ychlost zůstává př dalším zvyšování napětí paktcky konstantní: Měř ení vskozty za konstatní teploty! (ob. vz skpta) Kaplání vskozmet, Höppleův (kulčkový) vskozmet jen po Rotační vskozmet - po nenewtonské kapalny newtonské kapalny Vskozta dspezních systémů s kapalným dspezním postředím Přítomnost částc (R částce >> R molekuly dsp.postředí ) v poudícím dspezním postředí mění dáhy jednotlvých molekul poudící kapalny napomáhá pomíchávání jednotlvých vstev částce zmenšují posto, zaujímaný v poudu samotnou kapalnou předčasná tubulence (přechod lamnáního poudění v tubulentní př nžších hodnotách Reynoldsova čísla než v kapalnách, kteé neobsahují dspezní částce). půměný gadent ychlost ve směu kolmém na smě poudění oste vskozta dspezního systému je větší než vskozta dspezního postředí EE nnsst tee nnoovvaa oovvnn ccee poo pp vv sskkoozz tuu Vskozta zředěných dspezních systémů, jejchž částce jsou tuhé nedeomablní koule bez elektckého náboje, velké ve sovnání s molekulam dspezního postředí, ale malé ve sovnání s postoem, v němž k poudění dochází (ϕ - objemový zlomek dspezního podílu) η = η o (1 + 2,5 ϕ) Enstenova ovnce je stktně platná př nekonečném zředění - uplatňují se pouze nteakce částce dspezní postředí (s přjatelnou přesností do objemových zlomků ca 0,01) Vzzájjeemnéé ovlvňováníí čč ásstt cc Poloha dvou částc v tokovém pol v ůzných časových okamžcích Na dvou vzdálených hladnách(h >> 2 R) Na dvou blízkých hladnách (h << 2R) změna tajektoe spotřeba enege zvýšení vskozty Dspezní soustavy 8

9 Pavděpodobnost těsného přblížení dvou částc ~ ϕ 2. Vyšší koncentace částc - vlv tří nebo více sousedních částc Enstenova ovnce je pouze pvním členem ozvoje η = 2,5 ϕ + k 2 ϕ 2 + k 3 ϕ 3 + Vll vv přř ttaažžl lvvýýcch ss ll meezz čč áásstt cceem - deomace dáhy, bždění a vzůst vskozty (eekt vzůstá s ostoucí velkostí sl mez částcem ). Míné přtažlvé síly, kteé způsobí deomac tajektoí Vlvv ttvvaau čč áásstt cc Anzometcké částce - otační pohyb př toku mnohem ntenzvnější než u částc zometckých - další enege a vzůst vskozty. Největší otáčvý moment a úhlová ychlost př oentac částce kolmo ke směu toku, nejmenší př paalelní oentac Slně anzometcké částce (c) - otace spočívá v příležtostných obatech o 180, má malý vlv na vskoztu. Poudící kapalna není optcky zotopní - dvojlom za toku. Vllv nábojje čássttc na vsskozttu Pmání elektovskoztní eekt - deomace sécké elektcké dvojvstvy smykovým polem. Na stavbu dvojvstvy před částcí a její ozpad za částcí je zapotřebí učtého času - vzůstá vskozta, Sekundání elektovskoztní eekt Slné přtažlvé síly, kteé vedou k vytváření otujících dubletů (Bownův pohyb je zanedbán) odpuzování mez dvojvstvam zvětšuje eektvní kolzní půmě částc a tedy také jejch eektvní objem, což také vede k deomac tajektoí částc zvýšení vskozty. Tecání elektovskoztní eekt Přítomnost adsobovaných vstev eektvní půmě. na částc zvětšuje Po polyelektolyty, závsí jejch eektvní tloušťka vstvy na koncentac sol na ph. Změny ve složení oztoku, kteé vedou ke kompaktnější adsobované vstvě snžují vskoztu a naopak. Dspezní soustavy 9